Record bij supercap-elektroden uit de 3D-printer

Wetenschappers van de UC Santa Cruz en het LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) hebben geweldige resultaten bereikt met een elektrode voor supercondensatoren. De elektroden bestaan uit een printbare grafeen-aerogel, waarmee een poreus driedimensionaal raamwerk wordt gemaakt uit pseudocapacitief materiaal.

Bij laboratoriumtests bereikten de nieuwe elektroden de grootste oppervlaktecapaciteit (opgeslagen elektrisch lading per elektrode-oppervlak) die ooit behaald is bij een supercap. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in een artikel in het vakblad Joule.
 
 

Supercaps kunnen, net als accu’s, worden gebruikt voor het opslaan van energie. Ze hebben daarbij het voordeel, dat ze erg snel (in seconden tot minuten) kunnen worden opgeladen en dat ze erg stabiel zijn. De opslagcapaciteit blijft ook behouden na tienduizenden laadcycli. Ze zijn bijvoorbeeld te gebruiken voor regeneratieve remsystemen in elektrische auto’s e.d. De supercaps hebben ook nadelen: in vergelijking met accu’s kunnen ze minder energie opslaan in dezelfde ruimte en ze verliezen hun lading sneller. Maar door technische verbeteringen worden ze steeds betere concurrenten voor accu’s. In het nieuwe onderzoek maakten de onderzoekers met een verbeterde grafeen-aerogel een poreus raamwerk, dat daarna werd voorzien van een laag mangaanoxide. Mangaanoxide wordt vaak gebruikt als pseudocapacitief materiaal.

Een pseudocondensator is een supercap, die energie opslaat door een reactie aan het elektrode-oppervlak en daardoor grotere capaciteit heeft, die is te vergelijken met die van een accu. Ze leveren dus betere prestaties dan normale supercaps, die de energie elektrostatisch opslaan. Helaas hebben zulke pseudocondensatoren het probleem, dat de capaciteit snel afneemt door trage ionendiffusie als de elektroden te dik zijn. Het nieuwe onderzoek laat een doorbraak zien bij de capaciteit van een pseudocondensator. De onderzoekers konden de bedekking opvoeren tot meer dan 100 mg/cm² mangaanoxide, zonder dat de capaciteit verminderde. Tot nu toe kon men niet veel verder gaan dan 10 mg/cm². Het is heel belangrijk dat de oppervlaktecapaciteit lineair toeneemt met de hoeveelheid mangaanoxide en de dikte van de elektroden toeneemt, terwijl de capaciteit niet wordt beïnvloed door het gewicht. Dat duidt erop, dat de prestaties van de elektrode niet worden beperkt door ionendiffusie.
 
 

Bij de traditionele commerciële fabricage van supercaps wordt een dunne laag elektrodemateriaal aangebracht op een dunne metaalplaat, de stroomafnemer. Omdat dikker maken van de laag de prestaties vermindert, worden voor een grotere capaciteit meerdere stroomafnemers gestapeld, wat leidt tot een groter gewicht en meer materiaalkosten. Met de nieuwe aanpak is stapelen niet nodig. De onderzoekers konden de dikte van de elektroden zonder vermogensverlies opvoeren tot 4 millimeter. 

De gedrukte structuur is een rooster, dat bestaat uit cilindrische staven van de grafeen-aerogel. De staven vormen grote poriën in de roosterstructuur, maar ze zijn zelf ook poreus. Het mangaanoxide wordt dan met een galvanisch proces aangebracht op de grafeen-aerogel. Op deze manier geproduceerde supercaps bleken erg stabiel: na meer dan 20.000 laad- en ontlaadcycli hadden ze nog 90 % van de oorspronkelijke capaciteit. De nieuwe elektroden bieden ook een enorme vrijheid aan de ontwerper, omdat ze met de 3D-printer in elke denkbare vorm kunnen worden gemaakt.