L’aerogel di grafene stampato in 3D può portare a potenti supercondensatori

I supercondensatori sono dispositivi di accumulo di energia che si caricano molto rapidamente e possono conservare la loro capacità di memorizzazione attraverso decine di migliaia di cicli di carica. Le loro applicazioni comprendono sistemi di frenata rigenerativa nei veicoli elettrici. Mantengono meno energia nella stessa quantità di spazio delle batterie, e non mantengono una carica abbastanza a lungo – ma i progressi nella tecnologia dei supercondensatori potrebbero renderli competitivi con le batterie in una gamma più ampia di applicazioni. In uno studio intitolato ” Efficienti elettrodi pseudocapacitici stampati in 3D con caricamento Ultrahigh MnO2 “, un gruppo di ricercatori dell’UC Santa Cruze il Lawrence Livermore National Laboratory hanno ottenuto prestazioni senza precedenti da un elettrodo supercondensatore. L’elettrodo è stato fabbricato da un aerogel di grafene stampabile in 3D, che è stato utilizzato per costruire un’impalcatura 3D porosa caricata con materiale pseudocapacativo.

Nei test, gli elettrodi hanno raggiunto la più alta capacità areale mai riportata per un supercondensatore. In uno studio precedente, i ricercatori hanno ottenuto elettrodi supercondensatori estremamente veloci stampati in 3D da aerogel di grafene. Questa volta, hanno usato un aerogel di grafene migliorato per costruire un’impalcatura porosa che è stata caricata con ossido di manganese.

Uno pseudocapacitor è un tipo di supercondensatore che immagazzina energia attraverso una reazione sulla superficie dell’elettrodo, conferendole prestazioni più simili alla batteria rispetto ai supercondensatori che immagazzinano energia principalmente attraverso un meccanismo elettrostatico (chiamato capacità elettrica a doppio strato o EDLC).

“Il problema per gli pseudocapacitori è che quando si aumenta lo spessore dell’elettrodo, la capacità diminuisce rapidamente a causa della diffusione di ioni pigri nella struttura di massa”, ha detto il professore di chimica e biochimica della UC Santa Cruz Yat Li. “Quindi la sfida è aumentare il carico di massa del materiale pseudocapacitor senza sacrificare la sua capacità di accumulo di energia per unità di massa o volume.”
Lo studio dimostra una svolta nel bilanciamento del carico di massa e della capacità in uno pseudocapacitor. I ricercatori hanno aumentato il carico di massa per registrare livelli di oltre 100 milligrammi di ossido di manganese per centimetro quadrato senza compromettere le prestazioni, un notevole aumento rispetto ai dispositivi commerciali, che hanno livelli di circa 10 milligrammi per centimetro quadrato.

La capacità di area aumentò anche linearmente con il carico di massa di ossido di manganese e spessore dell’elettrodo, mentre la capacità per grammo (capacità gravimetrica) rimase pressoché invariata. Ciò indica che le prestazioni dell’elettrodo non sono limitate dalla diffusione di ioni anche a un carico di massa così elevato.

Nella fabbricazione tradizionale di supercondensatori, secondo il laureato Bin Lao, un sottile rivestimento di materiale per elettrodi viene applicato su una sottile lastra metallica che funge da collettore di corrente. Aumentando lo spessore del rivestimento, le prestazioni diminuiscono, quindi più fogli vengono impilati per aumentare la capacità, aumentare il peso e il costo del materiale.

“Con il nostro approccio, non abbiamo bisogno di impilare perché possiamo aumentare la capacità rendendo l’elettrodo più spesso senza sacrificare le prestazioni”, ha detto Yao.
I ricercatori sono riusciti ad aumentare lo spessore degli elettrodi a quattro millimetri senza sacrificare le prestazioni. Gli elettrodi sono stati progettati con una struttura periodica dei pori che consente sia la deposizione uniforme del materiale che una efficiente distribuzione ionica per la carica e la scarica. La struttura stampata stessa è un reticolo costituito da barre cilindriche porose del aerogel di grafene. L’ossido di manganese viene quindi depositato sul reticolo.

“L’innovazione chiave in questo studio è l’uso della stampa 3D per fabbricare una struttura progettata razionalmente che fornisce uno scaffold in carbonio per supportare il materiale pseudocapacitivo”, ha detto Li. “Questi risultati convalidano un nuovo approccio alla fabbricazione di dispositivi di memorizzazione dell’energia utilizzando la stampa 3D.”
I dispositivi supercondensatori realizzati con gli elettrodi hanno mostrato una buona stabilità ciclica, conservando oltre il 90% della capacità iniziale dopo 20.000 cicli di carica e scarica. Gli elettrodi stampati in 3D consentono una grande quantità di flessibilità di progettazione e gli inchiostri basati su grafene offrono una superficie ultraelevata, proprietà leggere, elasticità e conduttività elettrica superiore.

Gli autori del documento includono Bin Yao, Swetha Chandrasekaran, Jing Zhang, Wang Xiao, Fang Qian, Cheng Zhu, Eric B. Duoss, Christopher M. Spadaccini, Marcus A. Worsley e Yat Li.

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