Les supercondensateurs imprimés en 3D atteignent des performances record

• Les chercheurs ont chargé des structures imprimées en 3D d'aérogel de graphène poreux avec de l'oxyde de manganèse.
• Cela leur a permis de capturer une capacité de stockage d'énergie ultra-élevée dans une petite zone.
• Les densités d'énergie sont équivalentes à celles de certaines batteries traditionnelles.

Les pseudocondensateurs sont un type de dispositifs de stockage d'énergie qui pourraient équilibrer efficacement les exigences de charge/décharge rapide et de densité d'énergie élevée. Pour réaliser des pseudocondensateurs pratiques, nous devons développer un collecteur qui permette simultanément un transport efficace des électrons et une diffusion ionique.

Les récents progrès de la technologie d'impression 3D ont offert de nouvelles façons de relever ce défi exceptionnel pour les pseudocondensateurs. Jusqu'à présent, de nombreuses stratégies ont été utilisées pour améliorer les performances de ces dispositifs, notamment l'introduction de défauts, l'ingénierie de la cristallinité et le dopage élémentaire.

Récemment, une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Santa Cruz et du Lawrence Livermore National Laboratory a construit des électrodes de supercondensateur imprimées en 3D qui sont bien supérieures aux supercondensateurs conventionnels en termes de densité énergétique et de performances.

Utilisation d'un matériau pseudocapacitif pour emballer plus de densité

Dans ce travail, les chercheurs ont montré des structures imprimées en 3D d'aérogel de graphène poreux qui peuvent supporter des volumes élevés d'un matériau pseudocapacitif largement utilisé, l'oxyde de manganèse (MnO₂ ). Le matériau est connu pour stocker chimiquement des charges électriques et présenter une capacité énergétique théorique ultra-élevée.

Il en résulte un supercondensateur qui a une capacité surfacique élevée ou un stockage massif de charge électrique par unité de surface. Jusqu'à présent, personne n'a été capable de réaliser cet exploit. Comparé à d'autres condensateurs, il a une densité d'énergie exceptionnelle. L'étude pourrait ouvrir de nouvelles portes pour l'utilisation de ce type de condensateurs comme sources d'alimentation de charge rapide pour des appareils tels que les mobiles et les ordinateurs portables.

L'équipe a chargé les structures poreuses imprimées en 3D avec 180 mg d'oxyde de manganèse, en utilisant une technique de décomposition chimique. Étonnamment, ils ont pu atteindre jusqu'à 100 fois plus de niveaux de charge que les autres, sans dégrader les performances.

Référence :Cellule | doi:10.1016/j.joule.2018.09.020 | LLNL

Ils ont ajouté une couche d'oxyde de manganèse pseudocapacitif sur une structure de graphène imprimée en 3D pour étendre la densité énergétique et la capacité globales. Plutôt que d'appliquer un revêtement sélectif sur la surface externe de la structure, ils ont complètement utilisé son immense surface.

Le plus

Ce qui est plus excitant dans ce projet, c'est que ce n'est toujours pas la limite. Tout est évolutif. Il y a beaucoup de macropores accessibles - un élément crucial pour le dépôt de MnO₂  et diffuser efficacement les ions.

Fabrication d'un aérogel de graphène/MnO imprimé en 3D₂  électrode | Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

Ils peuvent rendre les électrodes épaisses tout en conservant une conductivité et une diffusion ionique décentes. En règle générale, si vous continuez à augmenter l'épaisseur, elle finira par atteindre un seuil, en particulier à des taux de charge élevés.

Mais puisque les chercheurs ont utilisé une structure 3D, ils peuvent faire une utilisation décente d'une charge plus élevée. La valeur gravimétrique ne se dégradera pas beaucoup, même si elles rendent la structure plus épaisse.

La structure imprimée en 3D présente de nombreux autres avantages. Par exemple, vous pouvez contrôler la taille des pores, fabriquer des électrodes rapidement et configurer les paramètres comme vous le souhaitez. En outre, la porosité peut être modifiée en modifiant la conception architecturale de la structure.

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Le présent travail met l'accent sur les performances des dispositifs de supercondensateurs symétriques qui reposent sur deux électrodes similaires imprimées en 3D. Dans les années à venir, les chercheurs utiliseront une charge extrêmement élevée de matériaux actifs pour construire des dispositifs asymétriques, qui utiliseraient deux substances différentes sur chaque électrode, augmentant encore les niveaux de densité d'énergie et de tension de fonctionnement.