3D 프린팅 슈퍼커패시터, 기존 배터리 맞먹는 기록적 에너지 밀도 달성

• 연구자들이 다공성 그래핀 에어로젤의 3D 프린팅 구조에 산화망간을 적재
• 이를 통해 초고용량 에너지 저장 용량을 작은 영역에 구현
• 에너지 밀도가 일부 기존 배터리와 동등한 수준

슈도커패시터는 급속 충방전과 높은 에너지 밀도 요구 사항을 효과적으로 균형 잡을 수 있는 에너지 저장 장치 유형입니다. 실용적인 슈도커패시터를 구현하려면 효율적인 전자 수송과 이온 확산을 동시에 가능하게 하는 집전체를 개발해야 합니다.

3D 프린팅 기술의 최근 발전은 슈도커패시터의 이 예외적 과제를 해결하는 새로운 방법을 제공했습니다. 지금까지 결함 도입, 결정성 엔지니어링, 원소 도핑 등 수많은 전략이 이들 장치의 성능 향상에 사용되었습니다.

최근 캘리포니아 산타크루즈 대학과 로렌스 리버모어 국립연구소 연구팀이 기존 슈퍼커패시터보다 에너지 밀도와 성능 면에서 훨씬 우수한 3D 프린팅 슈퍼커패시터 전극을 구축했습니다.

슈도커패시턴스 소재로 더 높은 밀도 구현

이 작업에서 연구자들은 널리 사용되는 슈도커패시턴스 소재인 산화망간(MnO₂)을 대용량으로 지지할 수 있는 다공성 그래핀 에어로젤의 3D 프린팅 구조를 시연했습니다. 이 소재는 화학적으로 전하를 저장하고 초고이론적 에너지 용량을 나타내는 것으로 알려져 있습니다.

이는 단위 면적당 엄청난 전하 저장량인 높은 면적 정전용량을 가진 슈퍼커패시터를 결과로 낳습니다. 지금까지 아무도 이 위업을 달성하지 못했습니다. 다른 커패시터와 비교해 예외적인 에너지 밀도를 가집니다. 이 연구는 모바일과 노트북 같은 장치용 급속 충전 전원으로 이 유형의 커패시터 사용에 새 길을 열 수 있습니다.

팀은 화학 분해 기술을 사용해 3D 프린팅 다공성 구조에 180mg의 산화망간을 적재했습니다. 놀랍게도 성능 저하 없이 다른 이들이 도달한 것보다 최대 100배 더 높은 적재 수준을 달성했습니다.

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

3D 프린팅 그래핀 구조에 슈도커패시턴스 산화망간 층을 추가해 전체 에너지 밀도와 정전용량을 확장했습니다. 구조 외부 표면에 선택적 코팅을 하는 대신, 거대한 표면적을 완전히 활용했습니다.

장점

이 프로젝트에서 더 흥미로운 점은 아직 한계가 아니라는 것입니다. 모든 것이 확장 가능합니다. 산화망간 증착과 이온의 효율적 확산에 필수적인 거대 기공이 많이 접근 가능합니다.

3D 프린팅 그래핀 에어로젤/MnO₂ 전극 제조 | 연구진 제공

전도성과 이온 확산을 유지하면서 전극을 두껍게 만들 수 있습니다. 일반적으로 두께를 계속 늘리면 결국 임계값에 도달합니다. 특히 고속 충전 시 그렇습니다.

하지만 연구자들이 3D 구조를 사용했으므로 더 높은 전하를 적절히 활용할 수 있습니다. 구조를 더 두껍게 만들어도 중량 가치는 크게 저하되지 않습니다.

3D 프린팅 구조에는 다른 이점도 많습니다. 예를 들어 기공 크기 제어, 전극 신속 제조, 원하는 대로 매개변수 구성 가능. 또한 구조의 건축 설계를 변경해 다공성을 변경할 수 있습니다.

참고: 역사상 가장 강력한 실내 펄스 자기장

현재 작업은 두 개의 유사한 3D 프린팅 전극에 의존하는 대칭 슈퍼커패시터 장치의 성능을 강조합니다. 향후 몇 년간 연구자들은 극도로 높은 활성 물질 적재를 사용해 비대칭 장치를 구축할 예정이며, 이는 각 전극에 두 가지 다른 물질을 사용해 에너지 밀도와 작동 전압 수준을 더욱 높일 것입니다.