3Dプリントされたグラフェンエアロゲルは強力なスーパーキャパシタを作ることができる

スーパーキャパシタは、非常に速く充電され、何万回もの充電サイクルを通じて貯蔵容量を維持できるエネルギー貯蔵デバイスです。その用途としては、電気自動車の回生ブレーキシステムなどがあります。スーパーキャパシタはバッテリーと同じスペースに蓄えられるエネルギーが少なく、充電時間もバッテリーほど長くありませんが、スーパーキャパシタ技術の進歩により、より幅広い用途でバッテリーと競合できるようになる可能性があります。「超高MnO2負荷による効率的な3Dプリント擬似容量電極」と題された研究において、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者チームは、スーパーキャパシタ電極から前例のない性能を達成しました。電極は 3D プリントされたグラフェンエアロゲルから作られており、擬似容量材料を搭載した多孔質 3D スキャフォールドの構築に使用されます。

テストでは、電極はスーパーキャパシタとしてこれまでに報告された中で最も高い面積静電容量を達成しました。以前の研究で、研究者らはグラフェンエアロゲルから3Dプリントされた超高速スーパーキャパシタ電極を実現した。今回、研究者らは改質グラフェンエアロゲルを使用して、酸化マンガンを充填した多孔質の足場を構築した。

疑似コンデンサは、電極表面での反応を通じてエネルギーを蓄えるスーパーコンデンサの一種で、主に電気二重層容量（EDLC）と呼ばれる静電気メカニズムを通じてエネルギーを蓄えるスーパーコンデンサよりも、バッテリーのような性能を備えています。「疑似コンデンサの問題は、電極の厚さを厚くすると、バルク構造内のイオンの拡散が遅いため、静電容量が急激に低下することです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の化学および生化学の教授であるヤット・リー氏は述べた。「したがって、課題は、単位質量または単位体積あたりのエネルギー貯蔵容量を犠牲にすることなく、擬似キャパシタ材料の質量負荷を増やすことです。」

この研究は、擬似コンデンサーにおける質量負荷と静電容量のバランスをとる上で画期的な成果を示しています。研究者らは、性能を損なうことなく質量負荷を1平方センチメートルあたり100ミリグラム以上の酸化マンガンという記録的なレベルまで増加させた。これは、1平方センチメートルあたり約10ミリグラムのレベルの市販デバイスに比べて大幅な改善である。面積静電容量もマンガンの酸化質量負荷と電極の厚さに比例して増加しますが、グラムあたりの静電容量（重量静電容量）はほぼ一定のままです。これは、このような高い質量負荷でも電極の性能がイオン拡散によって制限されないことを示唆しています。

大学院生のビン・ラオ氏によると、従来のスーパーキャパシタ製造では、集電体として機能する薄い金属板に電極材料の薄いコーティングが施される。コーティングの厚さを厚くすると性能が低下するため、コンデンサを構築するには複数のプレートを積み重ねる必要があり、重量と材料コストが増加します。

「私たちのアプローチでは、電極を厚くすることで性能を犠牲にすることなく静電容量を増やすことができるため、積み重ねる必要はありません。」研究者は、性能を犠牲にすることなく電極の厚さを 4 ミリメートルまで増やすことに成功しました。電極は、材料の均一な堆積と充電および放電のための効率的なイオン分布を可能にする周期的な細孔構造で設計されました。印刷された構造自体は、グラフェンエアロゲルの円筒形の多孔質ロッドで作られた格子です。次に、マンガン酸化物が格子上に堆積されます。

この研究の重要な革新は、擬似容量材料を支える炭素足場を提供する合理的に設計された構造を 3D プリントを使用して製造したことです。これらの発見は、3D プリントを使用してエネルギー貯蔵デバイスを製造する新しいアプローチを実証しています。この電極を使用して製造されたスーパーキャパシタデバイスは、20,000回の充放電サイクル後も初期容量の90%以上を維持し、優れたサイクル安定性を示しました。 3D プリント電極は、グラフェンベースのインクが超高表面積、軽量特性、弾力性、優れた導電性を提供することで、設計の柔軟性を大幅に高めます。

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

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