Суперкандэнсатары - гэта трапна названы тып прылад, якія могуць захоўваць і пастаўляць энергію хутчэй, чым звычайныя батарэі. Яны карыстаюцца вялікім попытам для прымянення, уключаючы электрамабілі, бесправадную сувязь і магутныя лазеры.

Але для рэалізацыі гэтых прыкладанняў суперкандэнсатарам патрэбны лепшыя электроды, якія злучаюць суперкандэнсатар з прыладамі, якія залежаць ад іх энергіі. Гэтыя электроды павінны быць больш хуткімі і таннымі для вырабу ў вялікіх маштабах, а таксама мець магчымасць хутчэй зараджаць і разраджаць сваю электрычную нагрузку. Група інжынераў з Універсітэта Вашынгтона лічыць, што яны прыдумалі працэс вытворчасці электродных матэрыялаў для суперкандэнсатараў, які будзе адпавядаць гэтым строгім патрабаванням прамысловасці і выкарыстання.

Даследчыкі пад кіраўніцтвам дацэнта кафедры матэрыялазнаўства і інжынерыі UW Пітэра Паўзаўскага апублікавалі артыкул 17 ліпеня ў часопісе Nature Microsystems and Nanoengineering, у якім апісваюць электрод суперкандэнсатара і хуткі і недарагі спосаб яго вырабу. Іх новы метад пачынаецца з багатых вугляродам матэрыялаў, якія былі высушаныя ў матрыцу нізкай шчыльнасці, званую аэрогелем. Гэты аэрагель сам па сабе можа дзейнічаць як грубы электрод, але каманда Паўзаўскага больш чым удвая павялічыла яго ёмістасць, якая з'яўляецца яго здольнасцю захоўваць электрычны зарад.

Гэтыя недарагія зыходныя матэрыялы ў спалучэнні з абцякальным працэсам сінтэзу мінімізуюць два агульныя бар'еры для прамысловага прымянення: кошт і хуткасць.

«У прамысловасці час - грошы», - сказаў Паўзаўскі. «Мы можам зрабіць зыходныя матэрыялы для гэтых электродаў за некалькі гадзін, а не за некалькі тыдняў. І гэта можа істотна знізіць кошт сінтэзу для вытворчасці высокапрадукцыйных электродаў суперкандэнсатараў».

Эфектыўныя электроды суперкандэнсатара сінтэзуюцца з багатых вугляродам матэрыялаў, якія таксама маюць вялікую плошчу паверхні. Апошняе патрабаванне мае вырашальнае значэнне з-за унікальнага спосабу, якім суперкандэнсатары захоўваюць электрычны зарад. У той час як звычайная батарэя захоўвае электрычныя зарады праз хімічныя рэакцыі, якія адбываюцца ў ёй, суперкандэнсатар захоўвае і раздзяляе станоўчыя і адмоўныя зарады непасрэдна на сваёй паверхні.

«Суперкандэнсатары могуць працаваць нашмат хутчэй, чым батарэі, таму што яны не абмежаваныя хуткасцю рэакцыі або пабочнымі прадуктамі, якія могуць утварыцца», — сказаў адзін з вядучых аўтараў Мэцью Лім, дактарант кафедры матэрыялазнаўства і інжынерыі UW. «Суперкандэнсатары могуць зараджацца і разраджацца вельмі хутка, таму яны выдатна забяспечваюць гэтыя «імпульсы» энергіі».

«У іх ёсць выдатныя магчымасці прымянення ў тых умовах, дзе батарэя сама па сабе працуе занадта павольна», — сказаў вядучы аўтар Мэцью Крэйн, дактарант кафедры хімічнага машынабудавання UW. «У тыя моманты, калі акумулятар працуе занадта павольна, каб задаволіць патрэбы ў энергіі, суперкандэнсатар з электродам з вялікай плошчай паверхні можа хутка «спрацаваць» і кампенсаваць дэфіцыт энергіі».

Каб атрымаць вялікую плошчу паверхні для эфектыўнага электрода, каманда выкарыстала аэрагелі. Гэта вільготныя, гелепадобныя рэчывы, якія прайшлі спецыяльную апрацоўку сушкі і награвання, каб замяніць іх вадкія кампаненты паветрам або іншым газам. Гэтыя метады захоўваюць трохмерную структуру геля, надаючы яму вялікую плошчу паверхні і надзвычай нізкую шчыльнасць. Гэта як выдаліць усю ваду з Jell-O без усаджвання.

«Адзін грам аэрагеля змяшчае прыкладна столькі ж паверхні, колькі адно футбольнае поле», — сказаў Паўзаўскі.

Крэйн зрабіў аэрагелі з гелеобразного палімера, матэрыялу з паўтаральнымі структурнымі адзінкамі, створанага з фармальдэгіду і іншых малекул на аснове вугляроду. Гэта гарантавала, што іх прылада, як і сучасныя электроды суперкандэнсатараў, будзе складацца з багатых вугляродам матэрыялаў.

Раней Лім прадэманстраваў, што даданне ў гель графена, які ўяўляе сабой ліст вугляроду таўшчынёй усяго ў адзін атам, напоўніла атрыманы аэрагель уласцівасцямі суперкандэнсатара. Але Ліму і Крэйну трэба было палепшыць прадукцыйнасць аэрагеля і зрабіць працэс сінтэзу таннейшым і прасцейшым.

У папярэдніх эксперыментах Ліма даданне графена не палепшыла ёмістасць аэрагеля. Такім чынам, замест гэтага яны загружалі аэрагелі тонкімі лістамі дысульфіду малібдэна або дысульфіду вальфраму. Абодва хімічныя рэчывы сёння шырока выкарыстоўваюцца ў прамысловых змазачных матэрыялах.

Даследчыкі апрацавалі абодва матэрыялы высокачашчыннымі гукавымі хвалямі, каб разбіць іх на тонкія лісты і ўключыць іх у багатую вугляродам гелевую матрыцу. Яны маглі сінтэзаваць цалкам загружаны вільготны гель менш чым за дзве гадзіны, у той час як іншыя метады зоймуць шмат дзён.

Атрымаўшы высушаны аэрагель нізкай шчыльнасці, яны злучылі яго з клеямі і іншым матэрыялам, багатым вугляродам, каб стварыць прамысловае «цеста», якое Лім мог проста раскачаць у лісты таўшчынёй усяго ў некалькі тысячных цалі. Яны выразалі з цеста паўцалевыя дыскі і сабралі іх у простыя корпусы батарэек-таблетак, каб праверыць эфектыўнасць матэрыялу ў якасці электрода суперкандэнсатара.

Іх электроды не толькі былі хуткімі, простымі і лёгкімі ў сінтэзе, але яны таксама мелі ёмістасць, па меншай меры, на 127 працэнтаў большую, чым у аднаго багатага вугляродам аэрагеля.

Лім і Крэйн чакаюць, што аэрагелі, загружаныя яшчэ больш тонкімі лістамі дысульфіду малібдэна або дысульфіду вальфраму - іх таўшчыня была прыкладна ад 10 да 100 атамаў - пакажуць яшчэ лепшую прадукцыйнасць. Але спачатку яны хацелі паказаць, што загружаныя аэрагелі можна было б хутчэй і танней сінтэзаваць, неабходны крок для прамысловай вытворчасці. Дакладная налада ідзе далей.

Каманда лічыць, што гэтыя намаганні могуць дапамагчы развіццю навукі нават за межамі сферы электродаў суперкандэнсатараў. Дысульфід малібдэна, суспендаваны ў аэрагелі, можа заставацца дастаткова стабільным, каб каталізаваць выпрацоўку вадароду. І іх метад хуткага ўлоўлівання матэрыялаў у аэрагелі можа быць ужыты да батарэй высокай ёмістасці або каталізу.