Rekord bei Supercap-Elektroden aus dem 3D-Drucker

22. Oktober 2018, 14:40 Uhr
Herstellung einer Supercap-Elektrode aus Graphen-Aerogel/Manganoxid per 3D-Druck - Bild: Yat Li et al., Joule, 2018
Herstellung einer Supercap-Elektrode aus Graphen-Aerogel/Manganoxid per 3D-Druck - Bild: Yat Li et al., Joule, 2018
Wissenschaftler der UC Santa Cruz und des LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) konnten enorme Resultate bei einer Elektrode für Superkondensatoren erreichen. Die Elektroden bestehen aus einem druckbaren Graphen-Aerogel, womit ein poröses dreidimensionales Gerüst mit pseudokapazitivem Material hergestellt wurde.

In Labortests erreichten die neuartigen Elektroden die höchste Flächenkapazität (gespeicherte elektrische Ladung pro Elektrodenoberfläche), die je für einen Supercap berichtet wurde. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in einem Artikel in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht.
 
 
Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops vom
3D-gedruckten Graphen-Aerogel-Gitter.
Bild: Bin Yao / UCSC
Als Energiespeicher haben Supercaps gegenüber Akkus den Vorteil, dass sie sehr schnell (in Sekunden bis Minuten) geladen werden können und dass sie sehr stabil sind. Ihre Speicherkapazität bleibt auch über zehntausende Ladezyklen erhalten. Man kann sie z. B. für regenerative Bremssysteme in Elektroautos etc. einsetzen. Im Vergleich zu Akkus speichern sie allerdings bei gleichem Platzbedarf weniger Energie und verlieren mit der Zeit mehr Ladung. Doch neuere Fortschritte machen sie immer mehr zur ernsthaften Konkurrenz für Akkus. In der neuen Studie erzeugten die Forscher mit einem verbesserten Graphen-Aerogel ein poröses Gerüst, das anschließend mit Manganoxid als häufig verwendetes pseudokapazitives Material beschichtet wurde.

Ein Pseudokondensator ist ein Supercap, der Energie durch eine Reaktion an der Elektrodenoberfläche speichert und damit eine höhere, akkuähnliche Leistung erbringt als normale Supercaps, die Energie elektrostatisch speichern. Das Problem bei solchen Pseudokondensatoren ist aber, dass bei größerer Elektrodendicke die Kapazität aufgrund der trägen Ionendiffusion schnell abnimmt. Die neue Studie zeigt einen Durchbruch bei der Kapazität eines Pseudokondensators. Die Forscher konnten die Beschichtung auf mehr 100 mg/cm² Manganoxid steigern, ohne die Leistung zu reduzieren. Üblich waren bislang lediglich etwa 10 mg/cm². Besonders wichtig ist, dann hier die Flächenkapazität linear mit dem Manganoxid und Elektrodendicke zunimmt, während die Kapazität relativ zum Gewicht nahezu unverändert bleibt. Dies deutet darauf hin, dass die Leistung der Elektrode nicht durch die Ionendiffusion eingeschränkt ist.
 
 
Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops vom
3D-gedruckten Graphen-Aerogel-Gitter nach
600 s Galvanisierung mit Manganoxid.
Bild: Bin Yao / UCSC
Bei der traditionellen kommerziellen Herstellung von Supercaps wird eine dünne Schicht aus Elektrodenmaterial auf ein dünnes Blech, dem Stromabnehmer, aufgebracht. Da die Erhöhung der Schichtdicke zu Leistungseinbußen führt, werden für höhere Kapazität mehrere Bleche gestapelt, was zu erhöhten Gewichts- und Materialkosten führt. Mit dem neuen Ansatz sind keine Stapel erforderlich. Die Forscher konnten die Dicke ihrer Elektroden ohne Leistungsverlust auf 4 Millimeter erhöhen. 

Die gedruckte Struktur ist ein Gitter, das aus zylindrischen Stäben des Graphen-Aerogels besteht. Die Stäbe selbst sind neben den größeren Poren in der Gitterstruktur selbst ebenfalls porös. Manganoxid wird dann auf das Graphen-Aerogel-Gitter galvanisch abgeschieden. Damit realisierte Supercaps erreichten eine gute Zyklenfestigkeit von 90 % der Anfangskapazität nach über 20.000 Lade- und Entladezyklen. Die neuartigen Elektroden ermöglichen zudem eine enorme Designflexibilität, da sie in jeder denkbaren Form per 3D-Drucker hergestellt werden können.
 
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