Суперкондензаторите са подходящо наречен тип устройство, което може да съхранява и доставя енергия по-бързо от конвенционалните батерии. Те са в голямо търсене за приложения, включително електрически автомобили, безжични телекомуникации и високомощни лазери.

Но за да реализират тези приложения, суперкондензаторите се нуждаят от по-добри електроди, които свързват суперкондензатора с устройствата, които зависят от тяхната енергия. Тези електроди трябва да бъдат едновременно по-бързи и по-евтини за производство в голям мащаб и също така да могат да зареждат и разреждат своя електрически товар по-бързо. Екип от инженери от Университета на Вашингтон смята, че е измислил процес за производство на електродни материали за суперкондензатор, който ще отговори на тези строги промишлени и потребителски изисквания.

Изследователите, ръководени от асистента по материалознание и инженерство на UW Питър Паузауски, публикуваха статия на 17 юли в списанието Nature Microsystems and Nanoengineering, описваща техния суперкондензаторен електрод и бързия и евтин начин, по който го направиха. Техният нов метод започва с богати на въглерод материали, които са изсушени в матрица с ниска плътност, наречена аерогел. Този аерогел сам по себе си може да действа като груб електрод, но екипът на Паузауски е удвоил своя капацитет, което е способността му да съхранява електрически заряд.

Тези евтини изходни материали, съчетани с рационализиран процес на синтез, минимизират две често срещани пречки пред индустриалното приложение: цена и скорост.

„В индустриалните приложения времето е пари“, каза Паузауски. „Можем да направим изходните материали за тези електроди за часове, а не за седмици. И това може значително да намали разходите за синтез за производство на електроди на суперкондензатор с висока производителност.“

Ефективните суперкондензаторни електроди се синтезират от богати на въглерод материали, които също имат голяма повърхност. Последното изискване е критично поради уникалния начин, по който суперкондензаторите съхраняват електрически заряд. Докато конвенционалната батерия съхранява електрически заряди чрез химичните реакции, протичащи в нея, суперкондензаторът вместо това съхранява и разделя положителните и отрицателните заряди директно върху повърхността си.

„Суперкондензаторите могат да действат много по-бързо от батериите, защото не са ограничени от скоростта на реакцията или страничните продукти, които могат да се образуват“, каза съавторът Матю Лим, докторант на UW в Департамента по материалознание и инженерство. „Суперкондензаторите могат да се зареждат и разреждат много бързо, поради което са страхотни в доставянето на тези „импулси“ на енергия.“

„Те имат страхотни приложения в настройки, където батерията сама по себе си е твърде бавна“, каза водещият автор Матю Крейн, докторант в Катедрата по химическо инженерство на UW. „В моменти, когато батерията е твърде бавна, за да отговори на енергийните нужди, суперкондензатор с електрод с висока повърхност може да „задейства“ бързо и да компенсира енергийния дефицит.“

За да получи висока повърхност за ефективен електрод, екипът използва аерогелове. Това са мокри, гелообразни вещества, които са преминали през специална обработка на сушене и нагряване, за да заменят течните си компоненти с въздух или друг газ. Тези методи запазват 3-D структурата на гела, като му придават голяма повърхност и изключително ниска плътност. Това е като премахване на цялата вода от Jell-O без свиване.

„Един грам аерогел съдържа приблизително толкова повърхност, колкото едно футболно игрище“, каза Паузауски.

Крейн направи аерогелове от гелообразен полимер, материал с повтарящи се структурни единици, създаден от формалдехид и други въглеродни молекули. Това гарантира, че тяхното устройство, подобно на днешните суперкондензаторни електроди, ще се състои от богати на въглерод материали.

Преди това Лим демонстрира, че добавянето на графен - който е лист въглерод с дебелина само един атом - към гела пропити получения аерогел със свойства на суперкондензатор. Но Лим и Крейн трябваше да подобрят производителността на аерогела и да направят процеса на синтез по-евтин и лесен.

В предишните експерименти на Лим добавянето на графен не е подобрило капацитета на аерогела. Затова те вместо това заредиха аерогелове с тънки листове от молибденов дисулфид или волфрамов дисулфид. И двата химикала се използват широко днес в промишлените смазочни материали.

Изследователите са обработили и двата материала с високочестотни звукови вълни, за да ги раздробят на тънки листове и да ги включат в богатата на въглерод гелова матрица. Те биха могли да синтезират напълно зареден мокър гел за по-малко от два часа, докато други методи биха отнели много дни.

След като получиха изсушения аерогел с ниска плътност, те го комбинираха с лепила и друг богат на въглерод материал, за да създадат промишлено „тесто“, което Лим може просто да разточи на листове с дебелина само няколко хилядни от инча. Те изрязаха половин инчови дискове от тестото и ги сглобиха в прости корпуси на монетни батерии, за да тестват ефективността на материала като електрод на суперкондензатор.

Техните електроди не само бяха бързи, прости и лесни за синтезиране, но също така имаха капацитет поне 127 процента по-голям от този на богатия на въглерод аерогел.

Лим и Крейн очакват, че аерогеловете, натоварени с още по-тънки листове от молибденов дисулфид или волфрамов дисулфид - техните са с дебелина около 10 до 100 атома - ще покажат още по-добра производителност. Но първо, те искаха да покажат, че заредените аерогелове ще бъдат по-бързи и по-евтини за синтезиране, необходима стъпка за индустриалното производство. Следва фината настройка.

Екипът вярва, че тези усилия могат да помогнат за развитието на науката дори извън сферата на електродите на суперкондензаторите. Техният молибденов дисулфид, суспендиран в аерогел, може да остане достатъчно стабилен, за да катализира производството на водород. И техният метод за бързо улавяне на материали в аерогелове може да се приложи към батерии с висок капацитет или катализа.