3Dプリントしたエアロゲル電極、スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵力を大幅に改善

●研究者は、多孔質のグラフェン・エアロゲルの3Dプリント構造に二酸化マンガンを用いた

●これにより、超高エネルギー貯蔵容量の小さなエリアへの取り込みに成功

●エネルギー密度は、一部の往来のバッテリーと同等

疑似容量は、急速充放電と高エネルギー密度の要件のバランスを効率的にとることのできるエネルギー貯蔵デバイスの一種です。疑似容量を実現するには、効率的な電子輸送とイオン放電を同時にできるコレクタを開発する必要があります。

3Dプリント技術の最近の進歩により、疑似容量のこの並外れた課題に対処する新しい方法が提供されてきました。これまで、欠陥の導入、結晶化度工学、元素ドーピングなど、これらのデバイスのパフォーマンスを向上させるために多くの戦略が採用されてきました。

最近では、カリフォルニア大学サンタクルーズ校とローレンス・リバモア国立研究所の研究チームが、エネルギー密度とパフォーマンスの点で往来のスーパーキャパシタよりもはるかに優れた3Dプリントのスーパーキャパシタ電極を構築しました。

擬似容量材を使用して高密度を実現

この研究では、研究者たちは一般に広く使用されている擬似容量電力材料の二酸化マンガン(MnO2)を大量にサポートできる多孔質のグラフェン・エアロゲルの3Dプリント構造を示しました。この材料は電荷を化学的に貯蔵し高い理論エネルギー容量を示すことで知られています。

これにより、面積容量の大きいスーパーキャパシタや、単位面積あたりの電荷が大量に蓄積されるスーパーキャパシタが得られます。今まで、誰もこの偉業を達成することができませんでした。他のキャパシタと比較して、並外れたエネルギー密度です。この研究は、このタイプのキャパシタを携帯電話やlaptopのようなデバイスの急速充電源材料として使用できる、新しい扉を開く可能性があります。

研究チームは、科学分解技術を利用して、3Dプリント作製した多孔質構造に180ｍgの酸化マンガンを用いました。驚くことに、パフォーマンスを低下させることなく、他の人が到達した負荷レベルの最大10倍の負荷レベルを達成しました。

彼らは、全体的なエネルギー密度と容量を拡張するために3Ｄプリント作製したグラフェン構造に擬似容量材の酸化マンガンの層を追加しました。構造物の外面に選択的なコーティングを施すのではなく、その巨大な表面積を完全に活用しました。

プラスのポイント

このプロジェクトでさらにエキサイティングなのは、それがまだ制限がなく、すべてがスケーラブルなことです。アクセス可能なマクロポアはたくさんあります。これはMnＯ2を堆積させ、イオンを効率的に拡散させる重要な要素です。

それらは、導電率とイオン拡散を維持しながら電極を厚くすることができます。通常、厚さを増やし続けると、特に高い充電率で、最終的にはしきい値に達します。

しかし研究者たちは3D構造を使用したために、より高い電荷を適切に利用することができます。構造が厚くなっても、重量値はそれほど低下しません。

3Dプリント構造には他にも多くの利点があります。例えば、細孔のサイズをコントロールしたり、電極を迅速に作製したり、パラメータを必要に応じて構成できます。また、構造の建築設計を変更することで、気孔率を変更できます。

現在の作業は、2つの類似した3Dプリント電極に依存する対称性スーパーキャパシターデバイスの性能に重点を置いています。今後数年間で、研究者たちは非常に高い負荷の活物質を使用して非対称デバイスを構築するでしょう。非対称デバイスは、各電極に2つの異なる物質を使用し、エネルギー密度と動作圧力のレベルをさらに高めます。