Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработали 3D-печатную конструкцию электродов для устройств электрохимического накопления энергии, таких как аккумуляторы и суперконденсаторы. Разработка позволяет вдвое увеличить емкость хранения без ущерба для скорости зарядки и надежности.
Традиционные плоские электроды имеют существенный недостаток: значительная часть активного материала остается недоиспользованной, поскольку ионы не могут эффективно проникать в глубокие слои. Это создает «мертвые зоны» и концентрационные потери вблизи интерфейсов. Новая конструкция использует оптимизированную трехмерную геометрию с переплетающимися элементами, что устраняет эту проблему.
Сверхтолстый электрод без потери мощности
Ключевая задача в разработке накопителей энергии – баланс между объемом и скоростью. Толстые электроды обеспечивают большую емкость за счет большего количества активного материала, но замедляют движение ионов между анодом и катодом. Исследователи LLNL создали ультратолстый электрод толщиной 5,8 мм, который преодолевает типичное падение производительности.
Для этого ученые объединили 3D-печать и вычислительную оптимизацию дизайна.
«Компьютер может создавать геометрии, которые трудно интуитивно представить на основе опыта, но которые напрямую соответствуют ограничивающей физике устройства», – отметил исследователь CED Ханью Ли.
Двухэтапный процесс печати
Электроды толщиной 4 мм были изготовлены методом мультиматериальной микростереолитографии с использованием специализированной смолы. Процесс включал два этапа: сначала печать пористой основы из оксида графена для улучшения диффузии ионов, затем нанесение поверхностного слоя золота для повышения электронной проводимости.
Такая геометрия «переплетающихся пальцев» максимизирует площадь поверхности и устраняет «мертвые зоны», обеспечивая ионам и электронам множество точек входа и выхода.
«В этом исследовании архитектура электрода рассматривается как такой же важный рычаг производительности, как и сам материал», – подчеркнул исследователь CED Томас Рой.
Превосходство над аналогами
Оптимизированные электроды превзошли как двумерные модели, так и предыдущие 3D-печатные версии, продемонстрировав превосходную емкость хранения, более низкое сопротивление и надежный срок службы, превышающий 7500 циклов зарядки-разрядки.
В дальнейших планах исследователей – масштабирование данной технологии для различных применений, включая литий-ионные аккумуляторы и электромобили. Ожидается, что разработка может быть внедрена в высокопроизводительные архитектуры для потребительской электроники следующего поколения и инфраструктуры возобновляемой энергетики. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.