Los científicos del Laboratorio Nacional UC Santa Cruz y Lawrence Livermore LLNL informaron resultados de rendimiento sin precedentes para un electrodo 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 de electrodo reportada para un supercondensador, dijo Yat Li, profesor de química y bioquímica en la Universidad de California en Santa Cruz. Li y sus colaboradores informaronsus hallazgos en un artículo publicado el 18 de octubre en julio .
Como dispositivos de almacenamiento de energía, los supercondensadores tienen la ventaja de cargarse muy rápidamente en 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.baterías, tienen menos energía en la misma cantidad de espacio y no tienen carga durante 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, comúnmentematerial pseudocapacitivo usado.
Un pseudocondensador es un tipo de supercondensador que almacena energía a través de una reacción en la superficie del electrodo, dándole un rendimiento más parecido a 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 para los pseudocondensadores es que cuando aumenta el grosor del electrodo, la capacitancia disminuye rápidamente debido a la lenta difusión de iones en la estructura a granel. Por lo tanto, el desafío es aumentar la carga de masa del material del pseudocondensador sin sacrificar su capacidad de almacenamiento de energía porunidad de masa o volumen ", explicó Li.
El nuevo estudio demuestra un 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 alrededor10 miligramos por centímetro cuadrado para dispositivos comerciales.
Lo más importante es que la capacitancia de área aumentó linealmente con la carga de masa de óxido de manganeso y el grosor del electrodo, mientras que la capacitancia por gramo capacitancia gravimétrica se mantuvo casi sin cambios. Esto indica que el rendimiento del electrodo no está limitado por la difusión de iones incluso a un nivel tan altocarga masiva
El primer autor Bin Yao, un estudiante graduado en el laboratorio de Li en UC Santa Cruz, explicó que en la fabricación comercial tradicional de supercondensadores, se aplica una capa delgada de material de electrodo a una delgada lámina de metal que sirve como colector de corriente.el grosor del recubrimiento hace que el rendimiento disminuya, se apilan varias hojas para construir 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 poro periódica que permite tanto la deposición uniforme del material como la difusión eficiente de iones para cargar y descargar.La estructura es una celosía compuesta de varillas cilíndricas del aerogel de grafeno. Las varillas en sí son porosas, además de los poros en la estructura de celosía. El óxido de manganeso se electrodeposita sobre la celosía de grafeno aerogel.
"La innovación clave en este estudio es el uso de la impresión 3D para fabricar una estructura diseñada racionalmente que proporcione un andamio de carbono para soportar el material pseudo-capacitivo", dijo Li. "Estos hallazgos validan un nuevo enfoque para fabricar dispositivos de almacenamiento de energía utilizando la impresión 3D"
Los dispositivos de supercondensador fabricados con electrodos de grafeno aerogel / óxido de manganeso mostraron una buena estabilidad de ciclo, reteniendo más del 90 por ciento de la capacidad inicial después de 20,000 ciclos de carga y descarga. Los electrodos de grafeno aerogel impresos en 3D permiten una gran flexibilidad de diseño porque pueden fabricarseen cualquier forma necesaria para caber en un dispositivo. Las tintas imprimibles a base de grafeno desarrolladas en LLNL proporcionan un área de superficie ultraalta, propiedades livianas, elasticidad y conductividad eléctrica superior.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de California - Santa Cruz . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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