المكثفات الفائقة هي نوع من الأجهزة تم تسميته بشكل مناسب يمكنه تخزين الطاقة وتوصيلها بشكل أسرع من البطاريات التقليدية. هناك طلب كبير عليها في التطبيقات بما في ذلك السيارات الكهربائية والاتصالات اللاسلكية وأشعة الليزر عالية الطاقة.

ولكن لتحقيق هذه التطبيقات، تحتاج المكثفات الفائقة إلى أقطاب كهربائية أفضل، والتي تربط المكثف الفائق بالأجهزة التي تعتمد على طاقتها. يجب أن تكون هذه الأقطاب الكهربائية أسرع وأرخص لتصنيعها على نطاق واسع، كما يجب أن تكون قادرة على شحن وتفريغ أحمالها الكهربائية بشكل أسرع. يعتقد فريق من المهندسين في جامعة واشنطن أنهم توصلوا إلى عملية لتصنيع مواد الأقطاب الكهربائية ذات المكثفات الفائقة التي تلبي هذه المتطلبات الصناعية والاستخدامية الصارمة.

نشر الباحثون، بقيادة الأستاذ المساعد لعلوم وهندسة المواد في جامعة ويسكونسن بيتر باوزاوسكي، ورقة بحثية في 17 يوليو في مجلة Nature Microsystems and Nanoengineering تصف القطب الكهربائي للمكثف الفائق والطريقة السريعة وغير المكلفة التي صنعوها. تبدأ طريقتهم الجديدة بمواد غنية بالكربون تم تجفيفها وتحويلها إلى مصفوفة منخفضة الكثافة تسمى الإيروجيل. يمكن لهذا الهلام الهوائي أن يعمل بمفرده كقطب كهربائي خام، لكن فريق باوزاوسكي ضاعف من سعته، وهي قدرته على تخزين الشحنة الكهربائية.

تعمل هذه المواد الأولية غير المكلفة، إلى جانب عملية تصنيع مبسطة، على تقليل عائقين شائعين أمام التطبيقات الصناعية: التكلفة والسرعة.

وقال باوزاوسكي: "في التطبيقات الصناعية، الوقت هو المال". "يمكننا صنع المواد الأولية لهذه الأقطاب الكهربائية في ساعات، وليس أسابيع. وهذا يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكلفة التوليف لصنع أقطاب كهربائية عالية الأداء للمكثفات الفائقة.

يتم تصنيع أقطاب المكثفات الفائقة الفعالة من مواد غنية بالكربون لها أيضًا مساحة سطحية عالية. يعد المتطلب الأخير أمرًا بالغ الأهمية بسبب الطريقة الفريدة التي تقوم بها المكثفات الفائقة بتخزين الشحنة الكهربائية. بينما تقوم البطارية التقليدية بتخزين الشحنات الكهربائية عبر التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخلها، يقوم المكثف الفائق بدلاً من ذلك بتخزين وفصل الشحنات الموجبة والسالبة مباشرة على سطحه.

قال المؤلف الرئيسي المشارك ماثيو ليم، وهو طالب دكتوراه في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ويسكونسن: "يمكن للمكثفات الفائقة أن تعمل بشكل أسرع بكثير من البطاريات لأنها لا تقتصر على سرعة التفاعل أو المنتجات الثانوية التي يمكن أن تتشكل". "يمكن للمكثفات الفائقة الشحن والتفريغ بسرعة كبيرة، ولهذا السبب فهي رائعة في توصيل "نبضات" الطاقة هذه."

وقال المؤلف الرئيسي ماثيو كرين، وهو طالب دكتوراه في قسم الهندسة الكيميائية في جامعة ويسكونسن: "إن لديهم تطبيقات رائعة في البيئات التي تكون فيها البطارية بمفردها بطيئة للغاية". "في اللحظات التي تكون فيها البطارية بطيئة جدًا في تلبية متطلبات الطاقة، يمكن للمكثف الفائق ذو القطب الكهربائي ذو المساحة السطحية العالية أن "يبدأ" بسرعة ويعوض نقص الطاقة."

للحصول على مساحة سطحية عالية لقطب كهربائي فعال، استخدم الفريق الهلاميات الهوائية. وهي عبارة عن مواد رطبة تشبه الهلام، وقد خضعت لمعالجة خاصة للتجفيف والتسخين لاستبدال مكوناتها السائلة بالهواء أو غاز آخر. تحافظ هذه الطرق على بنية الجل ثلاثية الأبعاد، مما يمنحه مساحة سطحية عالية وكثافة منخفضة للغاية. إنه مثل إزالة كل الماء من الجيلي دون أن ينكمش.

وقال باوزاوسكي: "يحتوي جرام واحد من الإيروجيل على مساحة سطحية تعادل مساحة ملعب كرة قدم واحد".

صنع كرين الهلام الهوائي من بوليمر يشبه الهلام، وهي مادة ذات وحدات هيكلية متكررة، تم إنشاؤها من الفورمالديهايد وجزيئات أخرى تعتمد على الكربون. وهذا يضمن أن أجهزتهم، مثل أقطاب المكثفات الفائقة اليوم، ستتكون من مواد غنية بالكربون.

في السابق، أثبت ليم أن إضافة الجرافين - وهو عبارة عن شريحة من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط - إلى الهلام يضفي على الهلام الهوائي الناتج خصائص المكثفات الفائقة. لكن كان ليم وكرين بحاجة إلى تحسين أداء الإيروجيل، وجعل عملية التوليف أرخص وأسهل.

في تجارب ليم السابقة، لم تؤدي إضافة الجرافين إلى تحسين سعة الإيروجيل. لذا قاموا بدلاً من ذلك بتحميل الإيروجيل بصفائح رقيقة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم أو ثاني كبريتيد التنغستن. وتستخدم كلتا المادتين الكيميائيتين على نطاق واسع اليوم في مواد التشحيم الصناعية.

عالج الباحثون كلتا المادتين بموجات صوتية عالية التردد لتقسيمهما إلى صفائح رقيقة ودمجهما في مصفوفة الهلام الغنية بالكربون. يمكنهم تصنيع هلام رطب مملوء بالكامل في أقل من ساعتين، في حين أن الطرق الأخرى قد تستغرق عدة أيام.

وبعد الحصول على الإيروجيل المجفف منخفض الكثافة، قاموا بدمجه مع مواد لاصقة ومواد أخرى غنية بالكربون لإنشاء "عجينة" صناعية، يمكن لليم أن يفردها ببساطة على شكل صفائح لا يزيد سمكها عن بضعة أجزاء من الألف من البوصة. قاموا بقطع أقراص نصف بوصة من العجين وقاموا بتجميعها في أغلفة بطاريات خلايا معدنية بسيطة لاختبار فعالية المادة كقطب كهربائي فائق المكثف.

لم تكن أقطابهم الكهربائية سريعة وبسيطة وسهلة التركيب فحسب، بل كانت تتميز أيضًا بسعة أكبر بنسبة 127 بالمائة على الأقل من الهلام الهوائي الغني بالكربون وحده.

ويتوقع ليم وكرين أن الأيروجيلات المحملة بصفائح أرق من ثاني كبريتيد الموليبدينوم أو ثاني كبريتيد التنغستن - التي يتراوح سمكها بين 10 إلى 100 ذرة تقريبًا - ستُظهر أداءً أفضل. لكنهم أرادوا أولاً أن يوضحوا أن تصنيع الإيروجيلات المحملة سيكون أسرع وأرخص، وهي خطوة ضرورية للإنتاج الصناعي. الضبط الدقيق يأتي بعد ذلك.

يعتقد الفريق أن هذه الجهود يمكن أن تساعد في تقدم العلوم حتى خارج عالم الأقطاب الكهربائية ذات المكثفات الفائقة. قد يظل ثاني كبريتيد الموليبدينوم المعلق بالهلام الهوائي مستقرًا بدرجة كافية لتحفيز إنتاج الهيدروجين. ويمكن تطبيق طريقتهم في احتجاز المواد بسرعة في الهلام الهوائي على البطاريات ذات السعة العالية أو الحفز الكيميائي.