Supercondensadores 3D impresos alcanzan densidad energética récord, igualando a baterías tradicionales

• Investigadores cargaron estructuras 3D impresas de aerogel de grafeno poroso con óxido de manganeso.
• Esto les permitió capturar una capacidad de almacenamiento de energía ultra-alta en un área pequeña.
• Las densidades de energía son equivalentes a las de algunas baterías tradicionales.

Los pseudocondensadores son un tipo de dispositivos de almacenamiento de energía que podrían equilibrar eficazmente la necesidad de carga/descarga rápida y alta densidad de energía. Para realizar pseudocondensadores prácticos, necesitamos desarrollar un colector que permita simultáneamente transporte eficiente de electrones y difusión iónica.

Los avances recientes en tecnología de impresión 3D han ofrecido nuevas formas de abordar este desafío excepcional para pseudocondensadores. Hasta ahora, se han empleado numerosas estrategias para mejorar el rendimiento de estos dispositivos, incluyendo introducción de defectos, ingeniería de cristalinidad y dopaje elemental.

Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de California, Santa Cruz y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore construyeron electrodos de supercondensador impresos en 3D que son muy superiores a los supercondensadores convencionales en términos de densidad energética y rendimiento.

Usando material pseudocapacitivo para empaquetar más densidad

En este trabajo, los investigadores han mostrado estructuras 3D impresas de aerogel de grafeno poroso que pueden soportar altos volúmenes de un material pseudocapacitivo ampliamente usado, el óxido de manganeso (MnO₂). El material es conocido por almacenar carga eléctricamente de forma química y exhibir una capacidad energética teórica ultra-alta.

Esto resulta en un supercondensador que tiene alta capacitancia areal o un almacenamiento masivo de carga eléctrica por unidad de área. Hasta ahora, nadie había logrado esta hazaña. Comparado con otros condensadores, tiene una densidad de energía excepcional. El estudio podría abrir nuevas puertas para usar este tipo de condensadores como fuentes de energía de carga rápida para dispositivos como móviles y portátiles.

El equipo cargó las estructuras porosas impresas en 3D con 180 mg de óxido de manganeso, usando una técnica de descomposición química. Sorprendentemente, lograron niveles de carga hasta 100 veces superiores a lo que otros han alcanzado, sin degradar el rendimiento.

Referencia: Cell | doi:10.1016/j.joule.2018.09.020 | LLNL

Añadieron una capa de óxido de manganeso pseudocapacitivo sobre la estructura de grafeno impresa en 3D para extender la densidad energética y capacitancia total. En lugar de aplicar un recubrimiento selectivo en la superficie externa de la estructura, utilizaron completamente su enorme área superficial.

El punto fuerte

Lo más emocionante de este proyecto es que aún no es el límite. Todo es escalable. Hay muchos macroporos accesibles —un elemento crucial para depositar MnO₂ y difundir iones eficientemente.

Fabricación de un electrodo de aerogel de grafeno 3D impreso/MnO₂ | Cortesía de los investigadores

Pueden hacer los electrodos gruesos manteniendo conductividad decente y difusión iónica. Típicamente, si sigue aumentando el grosor, eventualmente alcanzará un umbral, particularmente a altas tasas de carga.

Pero como los investigadores han usado una estructura 3D, pueden hacer un uso decente de una carga más alta. El valor gravimétrico no se degrada mucho, incluso si hacen la estructura más gruesa.

La estructura impresa en 3D tiene muchas otras ventajas. Por ejemplo, puede controlar el tamaño de los poros, fabricar electrodos rápidamente y configurar los parámetros como desee. Además, la porosidad puede alterarse cambiando el diseño arquitectónico de la estructura.

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El trabajo actual se centra en el rendimiento de dispositivos supercondensadores simétricos que dependen de dos electrodos 3D impresos similares. En los próximos años, los investigadores usarán cargas extremadamente altas de materiales activos para construir dispositivos asimétricos, que usarían dos sustancias diferentes en cada electrodo, aumentando aún más los niveles de densidad energética y voltaje de trabajo.