Kako globalna potražnja za elektrohemijskim elektrodama nastavlja da raste, pojavio se novi trend, koji naglašava potrebu da se održi efikasnost jonske difuzije uz prilagođavanje ultra-visokih opterećenja aktivnih materijala kako bi se povećao kapacitet i gustina energije. U trodimenzionalnom prostoru, strukturisane elektrode sa visokom poroznošću i malom zakrivljenošću pokazale su se efikasnim u poboljšanju performansi različitih uređaja za skladištenje elektrohemijske energije (EESD).
Međutim, povećanje debljine 3D štampanih elektroda neizbežno produžava put jonske difuzije i povećava gradijent koncentracije između dve elektrode, što dovodi do sporije kinetike difuzije jona. Shodno tome, hitno su potrebni inovativni dizajni elektroda da bi se istovremeno postigle velike površine, niska zavojitost i kratak razmak između elektroda, čime se omogućava brza difuzija jona na nivou uređaja.
Da bi se pozabavili ovim izazovom, Jat Li i kolege sa Kalifornijskog univerziteta, Santa Kruz, predstavili su novu strategiju za konstruisanje međusobno penetrirane strukture elektroda. Ovaj modelni sistem koristi kubičnu rešetku usredsređenu na Kelvinovu jedinicu tela, pri čemu svaka jedinična ćelija sadrži dve nezavisne podrešetkaste elektrode. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nano-Micro Letters.
Koristeći komercijalnu smolu kao prekursor, polimerne interpenetrirane strukture sastavljene od različitog broja jediničnih ćelija su proizvedene putem stereolitografije (SLA). Nakon toga je korišćena bezelektrična obrada da bi se polimerna podloga učinila provodljivom. Konkretno, površina polimera je prvo senzibilizovana jonima Sn 2+, nakon čega je usledila redoks reakcija između jona Sn 2+ i Pd 2+, tokom koje su nanočestice Pd, koje služe kao katalitička aktivna mesta, sastavljene na površini polimera.
Aktivirani supstrat je zatim uronjen u mešani rastvor koji sadrži Ni²⁺ jone i redukciono sredstvo NaH 2 PO 2, formirajući provodljivi Ni-P kompozitni sloj na mestima Pd. Tokom procesa bez elektronike i galvanizacije, delovi potporne strukture elektrode su maskirani da bi se omogućilo nezavisno adresiranje elektroda A i B.
Konačno, kompoziti MnO 2 /PEDOT i metalni cink su selektivno elektrodeponovani na elektrode A i B, respektivno. Zn//MnO 2 baterijski uređaj je korišćen kao model sistema za testiranje hipoteze o interpenetriranim EESD-ovima. Ovaj pristup je skratio rastojanje jonske difuzije i smanjio gradijente koncentracije jona, dok je struktura samonosivog uređaja eliminisala potrebu za separatorima, sprečavajući kratke spojeve.
Pored toga, veličina karakteristika i broj interpenetriranih jedinica mogu se podesiti tokom štampanja kako bi se uravnotežila površina i difuzija jona. Počevši od 3D štampanog interpenetriranog polimernog supstrata, metalizovan je da bi se stvorile provodne, nezavisno adresibilne elektrode za selektivno elektrodepoziciju materijala za skladištenje energije.
Dizajn interpenetrirane strukture pokazao se posebno korisnim u aplikacijama na niskim temperaturama, gde spora difuzija jona predstavlja značajne izazove. Li i njegove kolege su sproveli testove koristeći Zn//Zn simetrične ćelije da bi uporedili ponašanje metala cinka pri skidanju i oblaganju u uređajima sa dve različite strukture na 20 °C i 0 °C.
Interpenetrirana struktura je pokazala niže polarizacione potencijale na obe temperature i pokazala stabilnije i glatkije krive skidanja/oblaganja u poređenju sa dizajnom odvojene elektrode. Iako je otpor prenosa naelektrisanja (R ct ) bio sličan na 20 °C, interpenetrirana struktura je pokazala nižu otpornost na rastvor i prenos mase.
Na 0 °C, R ct odvojene strukture (~ 400 Ω) bio je značajno veći nego kod interpenetriranog dizajna (~ 80 Ω). Poboljšane niskotemperaturne performanse interpenetriranog uređaja pripisane su efikasnijoj difuziji jona i ravnomernijoj raspodeli koncentracije jona, postignutoj skraćivanjem razmaka između elektroda. Štaviše, testovi baterijskih uređaja na niskim temperaturama otkrili su da kada je temperatura pala sa 20 °C na 0 °C, uređaj sa interpenetracijom zadržao je 49% svog površinskog kapaciteta, u poređenju sa samo 35% za odvojeni uređaj.
Zahvaljujući poboljšanoj kinetici jonske difuzije i kompaktnijem dizajnu, interpenetrirani uređaj je pokazao izuzetna poboljšanja na 0 °C, uključujući 104% povećanje površinskog kapaciteta, povećanje gustine površinske energije od 82% i povećanje zapreminske gustine energije od 263%. u poređenju sa odvojenim uređajem. Ovi nalazi naglašavaju značaj interpenetrirane strukture u poboljšanju kinetike difuzije jona.
