Gli scienziati dell'UC Santa Cruz e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno riportato risultati di prestazioni senza precedenti per un elettrodo a supercondensatore. I ricercatori hanno fabbricato elettrodi utilizzando un aerogel di grafene stampabile per costruire un'impalcatura tridimensionale porosa caricata con materiale pseudocapacitivo.

Nei test di laboratorio, i nuovi elettrodi hanno raggiunto la più alta capacità areale (carica elettrica immagazzinata per unità di superficie dell'elettrodo) mai riportata per un supercondensatore, ha detto Yat Li, professore di chimica e biochimica all'UC Santa Cruz. Li e i suoi collaboratori hanno riportato le loro scoperte in un articolo pubblicato il 18 ottobre in Joule .

Come dispositivi di accumulo di energia, i supercondensatori hanno il vantaggio di caricarsi molto rapidamente (da secondi a minuti) e di conservare la loro capacità di immagazzinamento attraverso decine di migliaia di cicli di carica. Sono utilizzati per i sistemi di frenata rigenerativa nei veicoli elettrici e in altre applicazioni. Rispetto alle batterie, trattengono meno energia nella stessa quantità di spazio, e non mantengono una carica per così tanto tempo. Ma i progressi nella tecnologia dei supercondensatori potrebbero renderli competitivi con le batterie in una gamma molto più ampia di applicazioni.

In lavori precedenti, i ricercatori UCSC e LLNL hanno dimostrato elettrodi supercondensatori ultraveloci fabbricati utilizzando un aerogel di grafene stampato in 3D. Nel nuovo studio, hanno usato un aerogel di grafene migliorato per costruire un'impalcatura porosa che è stata poi caricata con ossido di manganese, un materiale pseudocapacitivo comunemente usato.

Uno pseudocondensatore è un tipo di supercondensatore che immagazzina energia attraverso una reazione sulla superficie dell'elettrodo, dandogli prestazioni più simili a una batteria rispetto ai supercondensatori che immagazzinano energia principalmente attraverso un meccanismo elettrostatico (chiamato capacità elettrica a doppio strato, o EDLC).

"Il problema per gli pseudocondensatori è che quando si aumenta lo spessore dell'elettrodo, la capacità diminuisce rapidamente a causa della lenta diffusione degli ioni nella struttura di massa. Quindi la sfida è aumentare il carico di massa del materiale pseudocondensatore senza sacrificare la sua capacità di accumulo di energia per unità di massa o volume, "Li ha spiegato.

Il nuovo studio dimostra una svolta nel bilanciamento del carico di massa e della capacità in uno pseudocondensatore. I ricercatori sono stati in grado di aumentare il carico di massa per registrare livelli di oltre 100 milligrammi di ossido di manganese per centimetro quadrato senza compromettere le prestazioni, rispetto ai livelli tipici di circa 10 milligrammi per centimetro quadrato per i dispositivi commerciali.

Più importante, la capacità areale è aumentata linearmente con il carico di massa dell'ossido di manganese e lo spessore dell'elettrodo, mentre la capacità per grammo (capacità gravimetrica) è rimasta pressoché invariata. Ciò indica che le prestazioni dell'elettrodo non sono limitate dalla diffusione ionica anche con un carico di massa così elevato.

Primo autore Bin Yao, uno studente laureato nel laboratorio di Li alla UC Santa Cruz, ha spiegato che nella fabbricazione commerciale tradizionale di supercondensatori, un sottile rivestimento di materiale elettrodico viene applicato su una sottile lamina metallica che funge da collettore di corrente. Poiché l'aumento dello spessore del rivestimento provoca un calo delle prestazioni, più fogli vengono impilati per creare capacità, aggiungendo peso e costo del materiale a causa del collettore di corrente metallico in ogni strato.

"Con il nostro approccio, non abbiamo bisogno di impilamento perché possiamo aumentare la capacità rendendo l'elettrodo più spesso senza sacrificare le prestazioni, "ha detto Yao.

I ricercatori sono stati in grado di aumentare lo spessore dei loro elettrodi a 4 millimetri senza alcuna perdita di prestazioni. Hanno progettato gli elettrodi con una struttura periodica dei pori che consente sia la deposizione uniforme del materiale sia un'efficiente diffusione degli ioni per la carica e la scarica. La struttura stampata è un reticolo composto da aste cilindriche dell'aerogel di grafene. Le aste stesse sono porose, oltre ai pori nella struttura reticolare. L'ossido di manganese viene quindi elettrodepositato sul reticolo di aerogel di grafene.

"L'innovazione chiave in questo studio è l'uso della stampa 3D per fabbricare una struttura progettata razionalmente che fornisce un'impalcatura di carbonio per supportare il materiale pseudocapacitivo, Li ha detto. "Questi risultati convalidano un nuovo approccio alla fabbricazione di dispositivi di accumulo di energia utilizzando la stampa 3D".

I dispositivi a supercondensatore realizzati con gli elettrodi di aerogel di grafene/ossido di manganese hanno mostrato una buona stabilità al ciclo, mantenendo più del 90 percento della capacità iniziale dopo il 20, 000 cicli di carica e scarica. Gli elettrodi in aerogel di grafene stampati in 3D consentono un'enorme flessibilità di progettazione perché possono essere realizzati in qualsiasi forma necessaria per adattarsi a un dispositivo. Gli inchiostri stampabili a base di grafene sviluppati presso LLNL forniscono un'area superficiale ultraelevata, proprietà leggere, elasticità, e conducibilità elettrica superiore.