3D プリント作製したエアロゲル電極がエネルギー貯蔵力をブースト

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 (3D-printed aerogel electrodes boost energy storage)

2020/1/29 アメリカ合衆国・ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)

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・ LLNL、カリフォルニア大学サンタクルーズ校(UCSC)および中国・中山大学から成る研究チームが、エネルギー密度と出力密度の両方を向上させた、3D プリント作製による新タイプのエアロゲル電極を開発。
・これらの両パラメータを同時に向上させた例は今回が初めて。エネルギー貯蔵産業に恩恵をもたらす可能性が期待できる。
・ 3D プリンティング技術は、エネルギー貯蔵デバイス、触媒、エレクトロニクス、マイクロ流体やバイオテクノロジーの研究分野で幅広く利用されており、従来技術では成しえなかった特殊な材料やデバイスの製造を可能にしている。
・ 3D プリント材料(インク)では、複雑な構造を開発することで新たな機能を付加したり、改善したりできる。3D プリンティングの最も一般的な手法である直接インク書込み(Direct ink writing: DIW)法では、インクの選択肢が幅広く、リチウムイオン、ナトリウムイオン、リチウム硫黄、リチウム金属の各電池やスーパーキャパシタ等の電気化学的エネルギー貯蔵デバイスの電極の作製に利用されている。
・ 3D プリント作製した電極は、バルク電極に比して電解液の浸透とイオンの拡散に優れる。本研究は、エアロゲル電極でのキネティクスと元来の電気貯蔵容量を向上させる 3D プリント構造の役割を実証するもの。
・以前の研究では、3D プリント作製した多孔質グラフェンエアロゲル構造が極めて高レベルの二酸化マンガン(MnO2)(電荷を化学的に貯蔵し高い理論エネルギー容量を示す一般的な擬似容量電極材料)の担持に成功。他タイプのものに比して記録的に高い単位面積当たりの容量と高エネルギー密度を備えるスーパーキャパシタが作製できたが、出力に制限があり、高エネルギー密度と高出力密度が両立できなかった。
・今回のブレイクスルーでは、エネルギー密度は以前の電極と同等ながら出力密度が飛躍的に向上。携帯電話や小型電子機器等のデバイスの超高速電源としてのスーパーキャパシタの利用が期待できる。
・本研究には、LLNL’s Laboratory Directed Research and Development プログラムが資金を提供した。
URL:  https://www.llnl.gov/news/3d-printed-aerogel-electrodes-boost-energy-storage

(関連情報) 

Joule 掲載論文(フルテキスト)
Efficient 3D Printed Pseudocapacitive Electrodes with Ultrahigh MnO2 Loading
URL:  https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30458-6

<NEDO海外技術情報より>

Summary

Retaining sound electrochemical performance of electrodes at high mass loading holds significant importance to energy storage. Pseudocapacitive materials such as manganese oxide (MnO2) deposited on current collectors have achieved outstanding gravimetric capacitances, sometimes even close to their theoretical values. Yet, this is only achievable with very small mass loading of active material typically less than 1 mg cm−2. Increasing mass loading often leads to drastic decay of capacitive performance due to sluggish ion diffusion in bulk material. Here, we demonstrate a 3D printed graphene aerogel electrode with MnO2 loading of 182.2 mg cm−2, which achieves a record-high areal capacitance of 44.13 F cm−2. Most importantly, this 3D printed graphene aerogel/MnO2 electrode can simultaneously achieve excellent capacitance normalized to area, gravimetry, and volume, which is the trade-off for most electrodes. This work successfully validates the feasibility of printing practical pseudocapacitive electrodes, which might revolutionize pseudocapacitor fabrication.

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