Superkapasitors is 'n gepaste tipe toestel wat energie vinniger kan stoor en lewer as konvensionele batterye. Hulle is in groot aanvraag vir toepassings, insluitend elektriese motors, draadlose telekommunikasie en hoë-aangedrewe lasers.

Maar om hierdie toepassings te verwesenlik, benodig superkapasitors beter elektrodes, wat die superkapasitor verbind met die toestelle wat afhanklik is van hul energie. Hierdie elektrodes moet vinniger en goedkoper wees om op groot skaal te maak en ook in staat wees om hul elektriese las vinniger te laai en te ontlaai. ’n Span ingenieurs aan die Universiteit van Washington dink hulle het met ’n proses vorendag gekom vir die vervaardiging van superkapasitor-elektrodemateriaal wat aan hierdie streng industriële en gebruiksvereistes sal voldoen.

Die navorsers, onder leiding van UW assistent-professor in materiaalwetenskap en ingenieurswese Peter Pauzauskie, het op 17 Julie 'n referaat gepubliseer in die joernaal Nature Microsystems and Nanoengineering waarin hulle hul superkapasitorelektrode beskryf en die vinnige, goedkoop manier waarop hulle dit gemaak het. Hul nuwe metode begin met koolstofryke materiale wat gedroog is tot 'n lae-digtheid matriks wat 'n aerogel genoem word. Hierdie aerogel op sy eie kan as 'n ru-elektrode dien, maar Pauzauskie se span het sy kapasitansie meer as verdubbel, wat sy vermoë is om elektriese lading te stoor.

Hierdie goedkoop beginmateriaal, tesame met 'n vaartbelynde sinteseproses, verminder twee algemene hindernisse vir industriële toepassing: koste en spoed.

"In industriële toepassings is tyd geld," het Pauzauskie gesê. “Ons kan die beginmateriaal vir hierdie elektrodes in ure maak eerder as weke. En dit kan die sintesekoste vir die vervaardiging van hoëprestasie-superkapasitorelektrodes aansienlik verlaag.”

Effektiewe superkapasitor-elektrodes word gesintetiseer uit koolstofryke materiale wat ook 'n hoë oppervlakte het. Laasgenoemde vereiste is krities as gevolg van die unieke manier waarop superkapasitors elektriese lading stoor. Terwyl 'n konvensionele battery elektriese ladings stoor via die chemiese reaksies wat daarin plaasvind, berg en skei 'n superkapasitor eerder positiewe en negatiewe ladings direk op sy oppervlak.

"Superkapasitors kan baie vinniger optree as batterye omdat hulle nie beperk word deur die spoed van die reaksie of neweprodukte wat kan vorm nie," het mede-hoofskrywer Matthew Lim, 'n UW-doktorale student in die Departement Materiaalwetenskap en Ingenieurswese, gesê. "Superkapasitors kan baie vinnig laai en ontlaai, en daarom is hulle uitstekend om hierdie 'pulse' van krag te lewer."

"Hulle het wonderlike toepassings in omgewings waar 'n battery op sy eie te stadig is," het mede-hoofskrywer Matthew Crane, 'n doktorale student in die UW Departement Chemiese Ingenieurswese, gesê. "In oomblikke waar 'n battery te stadig is om aan energiebehoeftes te voldoen, kan 'n superkapasitor met 'n hoë-oppervlakte-elektrode vinnig 'inskop' en die energietekort vergoed."

Om die hoë oppervlakte vir 'n doeltreffende elektrode te kry, het die span aerogels gebruik. Dit is nat, jelagtige stowwe wat deur 'n spesiale behandeling van droog en verhitting gegaan het om hul vloeibare komponente met lug of 'n ander gas te vervang. Hierdie metodes behou die jel se 3D-struktuur, wat dit 'n hoë oppervlakarea en uiters lae digtheid gee. Dit is soos om al die water uit Jell-O te verwyder sonder om te krimp.

“Een gram aerogel bevat omtrent soveel oppervlakte as een sokkerveld,” het Pauzauskie gesê.

Crane het aerogels gemaak van 'n jelagtige polimeer, 'n materiaal met herhalende strukturele eenhede, geskep uit formaldehied en ander koolstof-gebaseerde molekules. Dit het verseker dat hul toestel, soos vandag se superkapasitor-elektrodes, uit koolstofryke materiale sou bestaan.

Voorheen het Lim gedemonstreer dat die byvoeging van grafeen - wat 'n vel koolstof is wat net een atoom dik is - by die jel die gevolglike aerogel met superkapasitor-eienskappe deurdrenk het. Maar Lim en Crane moes die aerogel se werkverrigting verbeter en die sinteseproses goedkoper en makliker maak.

In Lim se vorige eksperimente het die byvoeging van grafeen nie die aerogel se kapasitansie verbeter nie. Daarom het hulle eerder aerogels gelaai met dun velle van óf molibdeendisulfied óf wolframdisulfied. Beide chemikalieë word vandag wyd gebruik in industriële smeermiddels.

Die navorsers het beide materiale met hoëfrekwensie klankgolwe behandel om dit in dun velle op te breek en dit in die koolstofryke jelmatriks ingewerk. Hulle kon 'n volledig gelaaide nat gel in minder as twee uur sintetiseer, terwyl ander metodes baie dae sou neem.

Nadat hulle die gedroogde, lae-digtheid aerogel gekry het, het hulle dit gekombineer met kleefmiddels en 'n ander koolstofryke materiaal om 'n industriële "deeg" te skep, wat Lim eenvoudig tot velle van net 'n paar duisendstes van 'n duim dik kon uitrol. Hulle het halfduimskyfies uit die deeg gesny en dit in eenvoudige muntselbattery-omhulsels saamgestel om die materiaal se doeltreffendheid as 'n superkapasitor-elektrode te toets.

Hulle elektrodes was nie net vinnig, eenvoudig en maklik om te sintetiseer nie, maar hulle het ook 'n kapasitansie van minstens 127 persent groter as die koolstofryke aerogel alleen gehad.

Lim en Crane verwag dat aerogels gelaai met nog dunner velle molibdeendisulfied of wolframdisulfied—hulle was ongeveer 10 tot 100 atome dik—’n selfs beter werkverrigting sou toon. Maar eers wou hulle wys dat gelaaide aerogels vinniger en goedkoper sou wees om te sintetiseer, 'n noodsaaklike stap vir industriële produksie. Die fynstelling kom volgende.

Die span glo dat hierdie pogings kan help om die wetenskap te bevorder selfs buite die gebied van superkapasitorelektrodes. Hul aerogel-gesuspendeerde molibdeendisulfied kan voldoende stabiel bly om waterstofproduksie te kataliseer. En hul metode om materiaal vinnig in aerogels vas te vang, kan toegepas word op batterye met hoë kapasitansie of katalise.