3D 인쇄 슈퍼커패시터, 기록적인 성능 달성

• 연구원들은 산화망간이 포함된 다공성 그래핀 에어로겔의 3D 인쇄 구조를 로드했습니다.
• 이를 통해 초고에너지 저장 용량을 작은 영역에 저장할 수 있었습니다.
• 에너지 밀도는 일부 기존 배터리와 동일합니다.

의사 커패시터는 빠른 충전/방전 요구 사항과 높은 에너지 밀도의 요구 사항을 효과적으로 균형을 맞출 수 있는 에너지 저장 장치 유형입니다. 실용적인 의사 커패시터를 구현하려면 효율적인 전자 수송과 이온 확산을 동시에 가능하게 할 수 있는 컬렉터를 개발해야 합니다.

3D 인쇄 기술의 최근 발전은 의사 커패시터에 대한 이 예외적인 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 제공했습니다. 지금까지 결함 도입, 결정화 공학 및 원소 도핑을 포함하여 이러한 장치의 성능을 향상시키기 위해 수많은 전략이 사용되었습니다.

최근 캘리포니아 대학교 산타 크루즈와 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 연구원 팀은 에너지 밀도와 성능 면에서 기존 슈퍼커패시터보다 훨씬 우수한 3D 인쇄 슈퍼커패시터 전극을 구축했습니다.

의사 용량성 재료를 사용하여 더 많은 밀도를 포장

이 작업에서 연구원들은 널리 사용되는 유사 용량성 물질인 산화망간(MnO₂ ). 이 물질은 화학적으로 전하를 저장하고 매우 높은 이론 에너지 용량을 나타내는 것으로 알려져 있습니다.

그 결과 높은 면적 커패시턴스를 갖거나 단위 면적당 전하가 대량으로 저장되는 슈퍼커패시터가 생성됩니다. 지금까지 아무도 이 위업을 달성하지 못했습니다. 다른 커패시터에 비해 에너지 밀도가 매우 뛰어납니다. 이 연구는 이러한 유형의 커패시터를 모바일 및 랩톱과 같은 장치의 급속 충전 전원으로 사용하는 데 새로운 문을 열 수 있습니다.

팀은 화학적 분해 기술을 사용하여 180mg의 산화망간으로 3D 인쇄된 다공성 구조를 로드했습니다. 놀랍게도 성능 저하 없이 다른 제품보다 최대 100배 더 많은 로딩 수준을 달성할 수 있었습니다.

참조:셀 | doi:10.1016/j.joule.2018.09.020 | LLNL

그들은 전체 에너지 밀도와 정전용량을 확장하기 위해 3D 인쇄된 그래핀 구조에 유사 정전용량 산화망간 층을 추가했습니다. 구조물의 외부 표면에 선택적 코팅을 적용하는 대신 거대한 표면적을 최대한 활용했습니다.

플러스 포인트

이 프로젝트의 더 흥미로운 점은 아직 한계가 없다는 것입니다. 모든 것이 확장 가능합니다. MnO₂ 증착에 중요한 요소인 접근 가능한 거대 기공이 많이 있습니다. 이온을 효율적으로 확산시킵니다.

3D 인쇄된 그래핀 에어로겔/MnO의 제작₂ 전극 | 연구원 제공

적절한 전도도와 이온 확산을 유지하면서 전극을 두껍게 만들 수 있습니다. 일반적으로 두께를 계속 늘리면 특히 높은 충전 속도에서 결국 임계값에 도달하게 됩니다.

그러나 연구원들은 3D 구조를 사용했기 때문에 더 높은 전하를 적절히 활용할 수 있습니다. 구조를 두껍게 하여도 중량값은 크게 저하되지 않습니다.

3D 프린팅된 구조에는 다른 많은 장점이 있습니다. 예를 들어, 기공의 크기를 제어하고 전극을 빠르게 제작하고 원하는 대로 매개변수를 구성할 수 있습니다. 또한 구조의 건축 설계를 변경하여 다공성을 변경할 수 있습니다.

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현재 작업은 두 개의 유사한 3D 인쇄 전극에 의존하는 대칭 슈퍼커패시터 장치의 성능을 강조합니다. 앞으로 연구원들은 극도로 많은 양의 활성 물질을 사용하여 비대칭 장치를 구축할 것입니다. 이 장치는 각 전극에 두 가지 다른 물질을 사용하여 에너지 밀도와 작동 전압 수준을 더욱 높일 것입니다.