Cientistas da UC Santa Cruz e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) relataram resultados de desempenho sem precedentes para um eletrodo de supercapacitor. Os pesquisadores fabricaram eletrodos usando um aerogel de grafeno imprimível para construir um andaime tridimensional poroso carregado com material pseudocapacitivo.

Em testes de laboratório, os novos eletrodos alcançaram a maior capacitância de área (carga elétrica armazenada por unidade de área de superfície do eletrodo) já relatada para um supercapacitor, disse Yat Li, professor de química e bioquímica da UC Santa Cruz. Li e seus colaboradores relataram suas descobertas em um artigo publicado em 18 de outubro em Joule .

Como dispositivos de armazenamento de energia, os supercapacitores têm a vantagem de carregar muito rapidamente (em segundos a minutos) e reter sua capacidade de armazenamento por dezenas de milhares de ciclos de carga. Eles são usados ​​para sistemas de frenagem regenerativa em veículos elétricos e outras aplicações. Comparado com baterias, eles retêm menos energia na mesma quantidade de espaço, e eles não mantêm a carga por tanto tempo. Mas os avanços na tecnologia de supercapacitores podem torná-los competitivos com baterias em uma gama muito mais ampla de aplicações.

Em trabalhos anteriores, os pesquisadores da UCSC e LLNL demonstraram eletrodos supercapacitores ultrarrápidos fabricados usando um aerogel de grafeno impresso em 3-D. No novo estudo, eles usaram um aerogel de grafeno aprimorado para construir um andaime poroso que foi carregado com óxido de manganês, um material pseudocapacitivo comumente usado.

Um pseudocapacitor é um tipo de supercapacitor que armazena energia por meio de uma reação na superfície do eletrodo, dando a ele um desempenho mais semelhante ao de bateria do que supercapacitores que armazenam energia principalmente por meio de um mecanismo eletrostático (chamado de capacitância elétrica de camada dupla, ou EDLC).

"O problema dos pseudocapacitores é que quando você aumenta a espessura do eletrodo, a capacitância diminui rapidamente devido à lenta difusão de íons na estrutura em massa. Portanto, o desafio é aumentar o carregamento de massa do material do pseudocapacitor sem sacrificar sua capacidade de armazenamento de energia por unidade de massa ou volume, "Li explicou.

O novo estudo demonstra um avanço no equilíbrio de carga de massa e capacitância em um pseudocapacitor. Os pesquisadores foram capazes de aumentar a carga de massa para níveis recordes de mais de 100 miligramas de óxido de manganês por centímetro quadrado sem comprometer o desempenho, em comparação com os níveis típicos de cerca de 10 miligramas por centímetro quadrado para dispositivos comerciais.

Mais importante, a capacitância de área aumentou linearmente com o carregamento de massa de óxido de manganês e espessura do eletrodo, enquanto a capacitância por grama (capacitância gravimétrica) permaneceu quase inalterada. Isso indica que o desempenho do eletrodo não é limitado pela difusão de íons, mesmo com uma carga de massa tão alta.

Primeiro autor Bin Yao, um estudante de graduação no laboratório de Li na UC Santa Cruz, explicou que na fabricação comercial tradicional de supercapacitores, uma fina camada de material de eletrodo é aplicada a uma fina folha de metal que serve como um coletor de corrente. Porque o aumento da espessura do revestimento faz com que o desempenho diminua, várias folhas são empilhadas para construir capacitância, adicionando peso e custo de material por causa do coletor de corrente metálica em cada camada.

"Com a nossa abordagem, não precisamos de empilhamento porque podemos aumentar a capacitância tornando o eletrodo mais espesso sem sacrificar o desempenho, "Yao disse.

Os pesquisadores conseguiram aumentar a espessura de seus eletrodos para 4 milímetros sem qualquer perda de desempenho. Eles projetaram os eletrodos com uma estrutura de poros periódica que permite a deposição uniforme do material e a difusão de íons eficiente para carga e descarga. A estrutura impressa é uma rede composta por hastes cilíndricas do aerogel de grafeno. As próprias hastes são porosas, além dos poros na estrutura da rede. O óxido de manganês é então eletrodepositado na rede de aerogel de grafeno.

"A principal inovação neste estudo é o uso da impressão 3-D para fabricar uma estrutura projetada racionalmente, fornecendo um andaime de carbono para apoiar o material pseudocapacitivo, "Li." Essas descobertas validam uma nova abordagem para a fabricação de dispositivos de armazenamento de energia usando impressão 3-D.

Dispositivos supercapacitores feitos com eletrodos de aerogel de grafeno / óxido de manganês mostraram boa estabilidade de ciclo, retendo mais de 90 por cento da capacitância inicial após 20, 000 ciclos de carga e descarga. Os eletrodos de aerogel de grafeno impressos em 3D permitem uma enorme flexibilidade de design porque podem ser feitos em qualquer formato necessário para caber em um dispositivo. As tintas à base de grafeno para impressão desenvolvidas na LLNL fornecem área de superfície ultra-alta, propriedades leves, elasticidade, e condutividade elétrica superior.