Superkondensatorlar enerjini adi akkumulyatorlardan daha sürətli saxlaya və çatdıra bilən uyğun bir cihaz növüdür. Onlara elektrik avtomobilləri, simsiz telekommunikasiyalar və yüksək güclü lazerlər daxil olmaqla tətbiqlər üçün yüksək tələbat var.

Lakin bu tətbiqləri həyata keçirmək üçün superkondensatorlara daha yaxşı elektrodlar lazımdır ki, bu da superkondensatoru enerjisindən asılı olan cihazlara birləşdirir. Bu elektrodları geniş miqyasda hazırlamaq üçün həm daha sürətli, həm də daha ucuz olmalıdır, həm də elektrik yükünü daha tez doldurub boşalda bilməlidir. Vaşinqton Universitetində mühəndislər qrupu bu ciddi sənaye və istifadə tələblərinə cavab verəcək superkapasitor elektrod materiallarının istehsalı prosesi ilə tanış olduqlarını düşünür.

UW materialşünaslıq və mühəndislik üzrə dosent Peter Pauzauskienin rəhbərlik etdiyi tədqiqatçılar iyulun 17-də Nature Microsystems and Nanoengineering jurnalında öz superkapasitor elektrodunu və onların sürətli, ucuz üsulunu təsvir edən məqalə dərc etdilər. Onların yeni üsulu aerojel adlanan aşağı sıxlıqlı matrisə qurudulmuş karbonla zəngin materiallardan başlayır. Bu aerojel tək başına xam elektrod kimi çıxış edə bilər, lakin Pauzauskie komandası onun elektrik yükünü saxlamaq qabiliyyəti olan tutumunu iki dəfədən çox artırıb.

Bu ucuz başlanğıc materiallar, sadələşdirilmiş sintez prosesi ilə birlikdə sənaye tətbiqi üçün iki ümumi maneəni minimuma endirir: qiymət və sürət.

"Sənaye tətbiqlərində vaxt puldur" dedi Pauzauskie. “Biz bu elektrodlar üçün başlanğıc materialları həftələrlə deyil, saatlarla hazırlaya bilərik. Və bu, yüksək performanslı superkondensator elektrodlarının istehsalı üçün sintez xərclərini əhəmiyyətli dərəcədə aşağı sala bilər.

Effektiv superkondensator elektrodları yüksək səth sahəsinə malik olan karbonla zəngin materiallardan sintez edilir. Sonuncu tələb, superkondensatorların elektrik yükünü saxlamağın unikal üsuluna görə vacibdir. Adi bir akkumulyator elektrik yüklərini onun daxilində baş verən kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə saxladığı halda, superkondensator əvəzinə müsbət və mənfi yükləri birbaşa səthində saxlayır və ayırır.

Material Elmləri və Mühəndislik Departamentində UW doktorantı olan həmmüəllif Metyu Lim, "Superkapasitorlar batareyalardan daha sürətli hərəkət edə bilər, çünki onlar reaksiyanın sürəti və ya əmələ gələ biləcək əlavə məhsullarla məhdudlaşmır" dedi. “Superkondansatörlər çox tez doldurub boşalda bilirlər, buna görə də onlar bu güc impulslarını çatdırmaqda əladırlar.”

UW Kimya Mühəndisliyi Departamentinin doktorantı, aparıcı müəllif Metyu Kreyn, "Onların batareyanın öz-özünə çox yavaş olduğu şəraitdə əla tətbiqləri var" dedi. “Batareyanın enerji tələbatını ödəmək üçün çox yavaş olduğu anlarda yüksək səth sahəsi elektrodu olan superkondensator sürətlə işə düşərək enerji çatışmazlığını doldura bilər”.

Effektiv elektrod üçün yüksək səth sahəsi əldə etmək üçün komanda aerojellərdən istifadə etdi. Bunlar maye komponentlərini hava və ya başqa bir qazla əvəz etmək üçün xüsusi qurutma və qızdırma prosesindən keçən yaş, gel kimi maddələrdir. Bu üsullar gelin 3-D strukturunu qoruyub saxlayır, ona yüksək səth sahəsi və son dərəcə aşağı sıxlıq verir. Bu, heç bir büzülmədən Jell-O-dan bütün suyu çıxarmaq kimidir.

Pauzauskie "Bir qram aerojel təxminən bir futbol meydançası qədər səth sahəsini ehtiva edir" dedi.

Crane formaldehid və digər karbon əsaslı molekullardan yaradılmış, təkrarlanan struktur vahidləri olan bir material olan geləbənzər polimerdən aeroqellər hazırladı. Bu, onların qurğusunun indiki superkondensator elektrodları kimi karbonla zəngin materiallardan ibarət olmasını təmin etdi.

Əvvəllər Lim göstərmişdi ki, gelə cəmi bir atom qalınlığında karbon təbəqəsi olan qrafenin əlavə edilməsi nəticəsində yaranan aerojel superkondensator xüsusiyyətlərinə malikdir. Lakin, Lim və Crane aerogelin performansını yaxşılaşdırmaq və sintez prosesini daha ucuz və asanlaşdırmaq üçün lazım idi.

Limin əvvəlki təcrübələrində qrafen əlavə etmək aerojelin tutumunu yaxşılaşdırmamışdı. Beləliklə, onlar aeroqelləri molibden disulfid və ya volfram disulfiddən ibarət nazik təbəqələrlə yüklədilər. Hər iki kimyəvi maddə bu gün sənaye sürtkü yağlarında geniş istifadə olunur.

Tədqiqatçılar hər iki materialı nazik təbəqələrə ayırmaq üçün yüksək tezlikli səs dalğaları ilə müalicə etdilər və onları karbonla zəngin gel matrisinə daxil etdilər. Onlar tam yüklənmiş yaş geli iki saatdan az müddətdə sintez edə bildilər, digər üsullar isə çoxlu günlər çəkəcək.

Qurudulmuş, aşağı sıxlıqlı aerojeli əldə etdikdən sonra onu yapışqanlarla və karbonla zəngin başqa materialla birləşdirərək sənaye “xəmiri” yaratdılar ki, Lim onu ​​sadəcə olaraq bir düym qalınlığında bir neçə mində bir təbəqəyə yuvarlaya bilərdi. Onlar xəmirdən yarım düymlük diskləri kəsdilər və materialın superkondensator elektrodu kimi effektivliyini yoxlamaq üçün onları sadə sikkə hüceyrəli batareya qablarına yığdılar.

Onların elektrodları nəinki sürətli, sadə və sintezi asan idi, həm də tək karbonla zəngin aerojeldən ən azı 127 faiz daha böyük bir tutuma sahib idi.

Lim və Crane gözləyirlər ki, molibden disulfid və ya volfram disulfidin daha nazik təbəqələri ilə yüklənmiş aeroqellər (onlarınki təxminən 10-100 atom qalınlığında idi) daha yaxşı performans göstərəcəklər. Lakin əvvəlcə onlar göstərmək istəyirdilər ki, yüklənmiş aeroqellər daha sürətli və daha ucuz sintez ediləcək, bu sənaye istehsalı üçün zəruri addımdır. İncə tənzimləmə sonrakı gəlir.

Komanda hesab edir ki, bu səylər hətta superkondensator elektrodları sahəsindən kənarda elmin inkişafına kömək edə bilər. Onların aerojellə dayandırılmış molibden disulfidi hidrogen istehsalını kataliz etmək üçün kifayət qədər sabit qala bilər. Materialları aerojellərdə tez tutmaq üçün onların metodu yüksək tutumlu batareyalara və ya katalizlərə tətbiq oluna bilər.