これまで以上に優れた性能と安定性を備えた 3D プリントスーパーキャパシタ電極

世の中には電池以外にも、近年急速に発展しているスーパーキャパシタなど、電気を蓄える方法が数多くある。現在、アメリカの科学者たちは3Dプリント技術を使ってグラフェンエアロゲルを製造し、性能が大幅に向上した3D多孔質キャパシタ電極を生み出しており、1個あたりに蓄えられる電荷量はこれまでの研究を上回っている。

スーパーキャパシタは、従来のコンデンサとバッテリーの中間に位置するエネルギー貯蔵装置です。エネルギー貯蔵容量はバッテリーより低いですが、充電速度が速く、寿命が長く、高温高圧耐性があり、安全性が高いなどの利点があります。通常のコンデンサよりもエネルギー密度が高いだけでなく、電力密度も他のバッテリーよりも優れています。

スーパーキャパシタの蓄電方式には、二重層キャパシタと擬似キャパシタ（準キャパシタとも呼ばれる）の2種類があります。前者は高表面積の炭素材料を電極として使用します。電極材料は電荷を吸収するためだけに使用され、電解質とは反応しません。後者は電極表面と電解質間の電気化学反応を利用して電気を蓄えます。蓄電方式は既存のバッテリーと同様です。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校（UCSC）とローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は、3Dプリントされたグラフェンエアロゲルを使用して疑似コンデンサ電極を作成したいと長い間考えていましたが、これは簡単な作業ではありません。 UCSC化学生化学科のヤット・リー教授は、現在の課題は電極の厚さが増すと構造全体のイオン拡散速度が低下し、それが静電容量性能に影響することだと述べた。そのため、チームは蓄電容量に影響を与えずに擬似キャパシタ材料の質量負荷を増やす必要がある。
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(出典: UCSC)

この目的のために、研究チームは3Dプリントしたグラフェンエアロゲルを使用して多孔質の足場を作成し、それを疑似コンデンサーの一般的な材料である酸化マンガンで満たし、コンデンサーの質量負荷における画期的な進歩を達成することに成功しました。

従来の擬似キャパシタ電極の酸化マンガン含有量は1平方センチメートルあたり10mgでしたが、新しい電極では性能に影響を与えることなく含有量を100mgまで増やすことができます。実験の結果、マンガン酸化物含有量と電極厚さの増加に伴ってコンデンサ面積は増加するものの、コンデンサの体積はほとんど変化しないことが示されました。つまり、コンデンサの質量負荷が増加してもイオン拡散速度は低下しないということです。

UCSCの大学院生ビン・ヤオ氏は、従来のスーパーキャパシタ技術では、電極コーティングの厚さが性能に影響するため、メーカーは非常に薄いコーティングと金属を使用してコレクターを作成し、それを層ごとに積み重ねてキャパシタを製造しているが、実際には重量とコストが増加していると述べた。

研究チームの新しい研究を利用すれば、積層工程を省略できる。研究者らが設計した多孔質グラフェンエアロゲル格子電極は、酸化マンガン材料を均一に堆積させ、充放電のイオン拡散効率を効果的に向上させるだけでなく、新しい方法では性能を低下させることなく電極の厚さを4mmまで増やすこともできる。

ヤット・リー氏は、実験により、新しいコンデンサ電極は以前の研究よりも単位当たりの電荷を多く蓄えられることが示されたと述べた。この研究の最も重要な革新は、3Dプリントを使用して電極構造を製造できることです。新しい電極の安定性も非常に高く、2万回の充放電サイクル後でも、容量は90％を維持できます。3Dプリントされたグラフェンエアロゲル電極の設計も非常に柔軟です。任意の形状に印刷することもでき、スーパーキャパシタの応用範囲が広がることが期待されます。チームはこの研究を「Joule」で発表しました。

出典: テクノロジーネットワーク

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