3D-печатный суперконденсатор показывает обещание

Аккумулятор работает, сохраняя электрический заряд через электрохимическую реакцию. Но это не единственный способ хранить электроэнергию. Хранение заряда в суперконденсаторах может осуществляться одним или двумя из двух способов. В электрической емкости с двойным слоем (EDLC) заряд между двумя пластинами сохраняется за счет электростатического разделения электронных и ионных зарядов на поверхности электрода-электролита. Совсем недавно был разработан второй тип суперконденсатора с использованием принципала, называемого псевдокапасностью. Псевдоконденсатор хранит энергию через процессы переноса заряда или окислительно-восстановительного восстановления (окислительно-восстановительного процесса) на поверхности электрода, что дает ему более высокую емкость, чем суперконденсаторы EDLC.

Суперконденсаторы имеют преимущества по сравнению с батареями, которые включают зарядку очень быстро (в секундах до минут) и способность сохранять свою емкость в течение десятков тысяч циклов зарядки. Они потребляют меньше энергии в том же объеме, что и литиево-ионные батареи. Но способность быстро принимать электрическую энергию, создаваемую при регенеративном торможении, и возвращать ее во взрыве энергии для быстрого ускорения, делает их привлекательными в трансмиссии с электрическим транспортным средством (EV) при соединении с батарейным блоком. Способность суперконденсатора поглощать тысячи циклов зарядки также защищает литий-ионные батареи от экстремальных нагрузок и разрядов, которые могут возникать при рекуперативном торможении.

Здесь изображение сканирующего электронного микроскопа показывает вид сверху 3D-печатной решетки аэрогеля графена (шкала шкалы: 1 мм). (Источник изображения: Бин Яо / UCSC)

Достижения в псевдоконденсаторах

Достижения в суперконденсаторах с псевдокапасностью показывают перспективность большей емкости и более длительного удержания заряда. Исследователи из Калифорнийского университета Санта-Крус (UCSC) и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) сообщили о беспрецедентных результатах работы с использованием нового суперконденсаторного электрода. Команда использовала 3D-печать для изготовления электродов с использованием печатаемого аэрогеля графена, создавая пористый трехмерный каркас, который загружен оксидом марганца — широко используемым псевдопапотентным материалом.

«Проблема для псевдоконденсаторов заключается в том, что при увеличении толщины электрода емкость быстро уменьшается из-за медленной диффузии ионов в объемной структуре», — сказал Ят Ли, профессор химии и биохимии UC Santa Cruz в новостях университета релиз ». Поэтому задача состоит в увеличении массовой загрузки материала псевдокапитателя без ущерба для его емкости для хранения энергии на единицу массы или объема», — пояснил Ли.

В более ранних работах исследовательская группа UCSC и LLNL продемонстрировала, что сверхбыстрые суперконденсаторные электроды могут быть изготовлены с использованием 3D-печатного аэрогеля графена. В новой работе команда использовала улучшенный аэрогель графена и использовала 3D-печать для создания пористого леса, который затем был загружен псевдопапотентным материалом. Согласно выпуску UCSC «Исследователи смогли увеличить массовую загрузку до рекордных уровней более 100 миллиграммов оксида марганца на квадратный сантиметр без ущерба для производительности по сравнению с типичными уровнями около 10 миллиграммов на квадратный сантиметр для коммерческих устройств».

. Это изображение на сканирующем электронном микроскопе показывает вид сверху 3D-печатной решетки аэрогеля графена после электроосаждения оксида марганца в течение 600 секунд (шкала шкалы: 1 мм). (Источник изображения: Бин Яо / UCSC)

Нет необходимости в штабелировании

В традиционном суперконденсаторе тонкое покрытие из электродного материала наносят на тонкий металлический лист, который служит в качестве токоприемника. Увеличение толщины покрытия приводит к снижению производительности, так как требуется больше времени для рассеивания заряда через более толстое покрытие. Поэтому современные коммерческие суперконденсаторы изготавливаются из нескольких тонких листов. Они сложены друг на друга для наращивания емкости, увеличения веса и стоимости материала из-за необходимости металлического коллектора тока на каждом уровне.

Бин Яо, аспирант лаборатории Ли в UC Santa Cruz, объясняет: «С нашим подходом нам не нужна укладка, потому что мы можем увеличить емкость, сделав электрод толще, не жертвуя производительностью».

В выпуске UCSC описывается увеличение толщины электродов до 4 миллиметров без потери производительности. «Ключевым новшеством в этом исследовании является использование 3D-печати для создания рационально разработанной структуры, обеспечивающей углеродный каркас для поддержки псевдопапотентного материала», — сказал Ли. «Эти результаты подтверждают новый подход к изготовлению устройств хранения энергии с использованием трехмерной печати».

Печать Эйргеля

Электроды спроектированы с периодической структурой пор, которая обеспечивает равномерное осаждение материала и эффективную диффузию ионов для зарядки и разрядки. Согласно выпуску «Печатная структура представляет собой решетку, состоящую из цилиндрических стержней граффинового аэрогеля. Сами же стержни являются пористыми, в дополнение к порам в структуре решетки. Оксид марганца затем электроосаждается на решетку аэрогеля графена ».

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Аэрозольное осаждение катодного материала демонстрирует большое обещание для твердотельных электролитов
A erosol 3D-печать аккумуляторных электродов
Использование металлического стекла упрощает 3D-печать металлов

Согласно команде UCSC, новые 3D-печатные аэрогелевые электроды достигли наивысшей объемной емкости (электрический заряд, накопленный на единицу площади поверхности электрода), когда-либо сообщавшихся для суперконденсатора. Они также показали хорошую устойчивость к циклированию, сохраняя более 90 процентов начальной емкости после 20 000 циклов зарядки и разрядки. Эти новые суперконденсаторы, объединенные литиево-ионными батареями в электрическом транспортном средстве (EV), могут обеспечить импульс мощности, необходимый для быстрого ускорения, в то время как аккумуляторная батарея обеспечивает хранение энергии, необходимую для дальнего действия.

Старший редактор Кевин Клеменс уже более 30 лет пишет об энергетических, автомобильных и транспортных темах. Имеет степень магистра в области материаловедения и экологического образования, а также докторскую степень по машиностроению, специализирующуюся на аэродинамике. Он установил несколько мировых рекордов скорости на электрических мотоциклах, которые он построил в своей мастерской.