Esta ilustración esquemática muestra la fabricación de un electrodo de supercondensador de óxido de manganeso / aerogel de grafeno impreso en 3D. Crédito:Yat Li et al., Joule , 2018
Los científicos de la UC Santa Cruz y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han informado resultados de rendimiento sin precedentes para un electrodo de supercondensador. Los investigadores fabricaron electrodos utilizando un aerogel de grafeno imprimible para construir un andamio tridimensional poroso cargado con material pseudocapacitivo.
En pruebas de laboratorio, los nuevos electrodos lograron la capacitancia de área más alta (carga eléctrica almacenada por unidad de área de superficie del electrodo) jamás reportada para un supercondensador, dijo Yat Li, profesor de química y bioquímica en UC Santa Cruz. Li y sus colaboradores informaron sus hallazgos en un artículo publicado el 18 de octubre en Joule .
Como dispositivos de almacenamiento de energía, Los supercondensadores tienen la ventaja de cargar muy rápidamente (de segundos a minutos) y retener su capacidad de almacenamiento a través de decenas de miles de ciclos de carga. Se utilizan para sistemas de frenado regenerativo en vehículos eléctricos y otras aplicaciones. Comparado con las baterías, tienen menos energía en la misma cantidad de espacio, y no retienen un cargo por tanto tiempo. Pero los avances en la tecnología de supercondensadores podrían hacerlos competitivos con las baterías en una gama mucho más amplia de aplicaciones.
En un trabajo anterior, Los investigadores de UCSC y LLNL demostraron electrodos supercondensadores ultrarrápidos fabricados con un aerogel de grafeno impreso en 3D. En el nuevo estudio, utilizaron un aerogel de grafeno mejorado para construir un andamio poroso que luego se cargó con óxido de manganeso, un material pseudocapacitivo de uso común.
Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra una vista superior de la red de aerogel de grafeno impresa en 3D (barra de escala:1 milímetro). Crédito:Bin Yao
Un pseudocondensador es un tipo de supercondensador que almacena energía a través de una reacción en la superficie del electrodo, dándole más rendimiento similar al de una batería que los supercondensadores que almacenan energía principalmente a través de un mecanismo electrostático (llamado capacitancia eléctrica de doble capa, o EDLC).
"El problema de los pseudocondensadores es que cuando aumenta el grosor del electrodo, la capacitancia disminuye rápidamente debido a la lenta difusión de iones en la estructura general. Entonces, el desafío es aumentar la carga de masa del material del pseudocondensador sin sacrificar su capacidad de almacenamiento de energía por unidad de masa o volumen, "Li explicó.
El nuevo estudio demuestra un gran avance en el equilibrio de la carga de masa y la capacitancia en un pseudocondensador. Los investigadores pudieron aumentar la carga de masa a niveles récord de más de 100 miligramos de óxido de manganeso por centímetro cuadrado sin comprometer el rendimiento. en comparación con los niveles típicos de alrededor de 10 miligramos por centímetro cuadrado para dispositivos comerciales.
Más importante, la capacitancia de área aumentó linealmente con la carga de masa de óxido de manganeso y el espesor del electrodo, mientras que la capacitancia por gramo (capacitancia gravimétrica) permaneció casi sin cambios. Esto indica que el rendimiento del electrodo no está limitado por la difusión de iones, incluso con una carga de masa tan alta.
Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra una vista superior de la red de aerogel de grafeno impresa en 3D después de la electrodeposición de óxido de manganeso durante 600 segundos (barra de escala:1 milímetro). Crédito:Bin Yao
Primer autor Bin Yao, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Li en UC Santa Cruz, explicó que en la fabricación comercial tradicional de supercondensadores, Se aplica una fina capa de material de electrodo a una fina hoja de metal que sirve como colector de corriente. Debido a que el aumento del espesor del recubrimiento hace que el rendimiento disminuya, se apilan varias hojas para generar capacitancia, agregando peso y costo de material debido al colector de corriente metálico en cada capa.
"Con nuestro enfoque, no necesitamos apilar porque podemos aumentar la capacitancia haciendo que el electrodo sea más grueso sin sacrificar el rendimiento, "Dijo Yao.
Los investigadores pudieron aumentar el grosor de sus electrodos a 4 milímetros sin ninguna pérdida de rendimiento. Diseñaron los electrodos con una estructura de poros periódica que permite tanto la deposición uniforme del material como la difusión de iones eficiente para la carga y descarga. La estructura impresa es una celosía compuesta por varillas cilíndricas del aerogel de grafeno. Las varillas mismas son porosas, además de los poros de la estructura reticular. A continuación, se electrodeposita óxido de manganeso sobre la red de aerogel de grafeno.
"La innovación clave en este estudio es el uso de la impresión 3-D para fabricar una estructura diseñada racionalmente que proporciona un andamio de carbono para soportar el material pseudocapacitivo, "Estos hallazgos validan un nuevo enfoque para fabricar dispositivos de almacenamiento de energía utilizando la impresión 3-D", dijo Li.
Los dispositivos supercondensadores fabricados con electrodos de aerogel de grafeno / óxido de manganeso mostraron una buena estabilidad cíclica, reteniendo más del 90 por ciento de la capacitancia inicial después de 20, 000 ciclos de carga y descarga. Los electrodos de aerogel de grafeno impresos en 3D permiten una enorme flexibilidad de diseño porque se pueden fabricar en cualquier forma necesaria para encajar en un dispositivo. Las tintas imprimibles basadas en grafeno desarrolladas en LLNL proporcionan un área de superficie ultra alta, propiedades ligeras, elasticidad, y conductividad eléctrica superior.
