Superkondenzatori su prikladno nazvan tip uređaja koji može pohraniti i isporučiti energiju brže od konvencionalnih baterija. Oni su veoma traženi za aplikacije uključujući električne automobile, bežične telekomunikacije i lasere velike snage.

Ali za realizaciju ovih aplikacija, superkondenzatorima su potrebne bolje elektrode, koje povezuju superkondenzator sa uređajima koji ovise o njihovoj energiji. Ove elektrode moraju biti i brže i jeftinije za proizvodnju u velikim razmjerima, a također i sposobne brže puniti i prazniti svoje električno opterećenje. Tim inženjera sa Univerziteta Washington misli da su smislili proces za proizvodnju materijala za superkondenzatorske elektrode koji će zadovoljiti ove stroge industrijske zahtjeve i zahtjeve upotrebe.

Istraživači, predvođeni UW docentom nauke o materijalima i inženjeringom Peterom Pauzauskim, objavili su članak 17. jula u časopisu Nature Microsystems and Nanoengineering u kojem opisuju njihovu superkondenzatorsku elektrodu i brz i jeftin način na koji su je napravili. Njihova nova metoda počinje s materijalima bogatim ugljikom koji su osušeni u matricu niske gustoće koja se zove aerogel. Ovaj aerogel sam po sebi može djelovati kao sirova elektroda, ali je Pauzauskieov tim više nego udvostručio njegov kapacitet, što je njegova sposobnost pohranjivanja električnog naboja.

Ovi jeftini početni materijali, zajedno sa pojednostavljenim procesom sinteze, minimiziraju dvije uobičajene prepreke industrijskoj primjeni: cijenu i brzinu.

“U industrijskim primjenama vrijeme je novac,” rekao je Pauzauskie. „Početne materijale za ove elektrode možemo napraviti u satima, a ne u sedmicama. A to može značajno smanjiti troškove sinteze za izradu superkondenzatorskih elektroda visokih performansi.”

Učinkovite superkondenzatorske elektrode sintetizirane su od materijala bogatih ugljikom koji također imaju veliku površinu. Potonji zahtjev je kritičan zbog jedinstvenog načina na koji superkondenzatori pohranjuju električni naboj. Dok konvencionalna baterija pohranjuje električne naboje putem kemijskih reakcija koje se odvijaju u njoj, superkondenzator umjesto toga pohranjuje i razdvaja pozitivne i negativne naboje direktno na svojoj površini.

"Superkondenzatori mogu djelovati mnogo brže od baterija jer nisu ograničeni brzinom reakcije ili nusproizvodima koji se mogu formirati", rekao je glavni autor Matthew Lim, student doktorskih studija UW na Odsjeku za nauku o materijalima i inženjerstvo. "Superkondenzatori se mogu puniti i prazniti vrlo brzo, zbog čega su odlični u isporuci ovih 'impulsa' snage."

„Imaju odlične aplikacije u okruženjima gdje je baterija sama po sebi prespora“, rekao je kolega glavni autor Matthew Crane, student doktorskih studija na UW odsjeku za hemijsko inženjerstvo. „U trenucima kada je baterija prespora da bi zadovoljila potrebe za energijom, superkondenzator s elektrodom velike površine mogao bi se brzo 'upaliti' i nadoknaditi energetski manjak.”

Da bi dobili veliku površinu za efikasnu elektrodu, tim je koristio aerogele. Riječ je o vlažnim, gelastim tvarima koje su prošle kroz poseban tretman sušenja i zagrijavanja kako bi svoje tekuće komponente zamijenile zrakom ili drugim plinom. Ove metode čuvaju 3-D strukturu gela, dajući mu veliku površinu i izuzetno nisku gustinu. To je kao da uklonite svu vodu iz želea bez skupljanja.

"Jedan gram aerogela sadrži otprilike onoliko površine koliko i jedno fudbalsko igralište", rekao je Pauzauskie.

Crane je napravio aerogele od polimera nalik gelu, materijala s ponavljajućim strukturnim jedinicama, stvorenim od formaldehida i drugih molekula na bazi ugljika. To je osiguralo da se njihov uređaj, kao i današnje elektrode superkondenzatora, sastoji od materijala bogatih ugljikom.

Ranije je Lim pokazao da dodavanje grafena – koji je sloj ugljika debljine samo jedan atom – u gel daje rezultirajući aerogel sa svojstvima superkondenzatora. Ali, Lim i Crane su trebali poboljšati performanse aerogela i učiniti proces sinteze jeftinijim i lakšim.

U prethodnim Limovim eksperimentima, dodavanje grafena nije poboljšalo kapacitet aerogela. Stoga su umjesto toga punili aerogele tankim slojevima molibden disulfida ili volframovog disulfida. Obje hemikalije se danas široko koriste u industrijskim mazivima.

Istraživači su oba materijala tretirali visokofrekventnim zvučnim valovima kako bi ih razbili na tanke ploče i ugradili u matricu gela bogatu ugljikom. Mogli su sintetizirati potpuno napunjen mokri gel za manje od dva sata, dok bi za druge metode trebalo mnogo dana.

Nakon što su dobili osušeni aerogel niske gustine, kombinovali su ga sa lepkom i drugim materijalom bogatim ugljikom kako bi stvorili industrijsko "tijesto", koje je Lim mogao jednostavno razvaljati u listove debljine samo nekoliko hiljaditih inča. Izrezali su diskove od pola inča iz tijesta i sastavili ih u jednostavna kućišta baterija na dugmad kako bi testirali efikasnost materijala kao superkondenzatorske elektrode.

Ne samo da su njihove elektrode bile brze, jednostavne i lake za sintetizaciju, već su imale i kapacitet za najmanje 127 posto veći od samog aerogela bogatog ugljikom.

Lim i Crane očekuju da će aerogelovi napunjeni još tanjim slojevima molibden disulfida ili volfram disulfida – bili su debeli oko 10 do 100 atoma – pokazati još bolje performanse. Ali prvo su željeli pokazati da će napunjeni aerogelovi biti brži i jeftiniji za sintetizaciju, što je neophodan korak za industrijsku proizvodnju. Slijedi fino podešavanje.

Tim vjeruje da ovi napori mogu pomoći napredovanju nauke čak i izvan područja superkondenzatorskih elektroda. Njihov molibden disulfid suspendovan u aerogelu mogao bi ostati dovoljno stabilan da katalizira proizvodnju vodonika. A njihova metoda za brzo hvatanje materijala u aerogelu mogla bi se primijeniti na baterije visokog kapaciteta ili katalizu.