Supercondensateurs 3D imprimés : densité énergétique record, équivalente aux batteries traditionnelles

• Les chercheurs ont chargé des structures 3D imprimées 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 pseudocapaciteurs sont un type de dispositifs de stockage d'énergie qui pourraient équilibrer efficacement le besoin de charge/décharge rapide et de haute densité d'énergie. Pour réaliser des pseudocapaciteurs pratiques, nous devons développer un collecteur qui peut permettre simultanément un transport électronique efficace et une diffusion ionique.

Les avancées récentes dans la technologie d'impression 3D ont offert de nouvelles façons de relever ce défi exceptionnel pour les pseudocapaciteurs. Jusqu'à présent, de nombreuses stratégies ont été employées 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 supercondensateurs imprimées en 3D qui sont bien supérieures aux supercondensateurs conventionnels en termes de densité d'énergie et de performance.

Utilisation de matériaux pseudocapacitifs pour plus de densité

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

Cela résulte en un supercondensateur qui a une capacitance surfacique élevée ou un stockage massif de charge électrique par unité de surface. Jusqu'à présent, personne n'avait réussi à 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 à charge rapide pour des appareils comme 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 réussi à atteindre des niveaux de chargement jusqu'à 100 fois supérieurs à ce que d'autres ont atteint, sans dégrader les performances.

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

Ils ont ajouté une couche d'oxyde de manganèse pseudocapacitif sur la structure de graphène imprimée en 3D pour étendre la densité d'énergie et la capacitance globales. Plutôt que d'appliquer un revêtement sélectif sur la surface externe de la structure, ils ont pleinement utilisé sa surface énorme.

Le point fort

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

Fabrication d'une électrode aérogel de graphène 3D imprimé/MnO₂ | Avec l'aimable autorisation des chercheurs

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

Mais comme 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 s'ils rendent la structure plus épaisse.

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

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Le travail présent met l'accent sur la performance des dispositifs supercondensateurs symétriques qui reposent sur deux électrodes 3D imprimées similaires. Dans les années à venir, les chercheurs utiliseront des chargements extrêmement élevés 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.