Els supercondensadors són un tipus de dispositiu amb un nom adequat que pot emmagatzemar i lliurar energia més ràpidament que les bateries convencionals. Tenen una gran demanda d'aplicacions com ara cotxes elèctrics, telecomunicacions sense fil i làsers d'alta potència.

Però per realitzar aquestes aplicacions, els supercondensadors necessiten millors elèctrodes, que connectin el supercondensador als dispositius que depenen de la seva energia. Aquests elèctrodes han de ser més ràpids i econòmics de fabricar a gran escala i també poden carregar i descarregar la seva càrrega elèctrica més ràpidament. Un equip d'enginyers de la Universitat de Washington creu que han ideat un procés per a la fabricació de materials d'elèctrodes de supercondensadors que compleixin aquestes estrictes demandes industrials i d'ús.

Els investigadors, dirigits pel professor ajudant de ciència i enginyeria de materials de la UW, Peter Pauzauskie, van publicar un article el 17 de juliol a la revista Nature Microsystems and Nanoengineering que descriu el seu elèctrode supercondensador i la forma ràpida i econòmica que ho van fer. El seu nou mètode comença amb materials rics en carboni que s'han assecat en una matriu de baixa densitat anomenada aerogel. Aquest aerogel per si sol pot actuar com un elèctrode brut, però l'equip de Pauzauskie va més que duplicar la seva capacitat, que és la seva capacitat per emmagatzemar càrrega elèctrica.

Aquests materials de partida econòmics, juntament amb un procés de síntesi simplificat, minimitzen dues barreres comunes a l'aplicació industrial: el cost i la velocitat.

"En aplicacions industrials, el temps és diners", va dir Pauzauskie. "Podem fer els materials de partida per a aquests elèctrodes en hores, en lloc de setmanes. I això pot reduir significativament el cost de síntesi per fabricar elèctrodes de supercondensadors d'alt rendiment".

Els elèctrodes de supercondensadors efectius es sintetitzen a partir de materials rics en carboni que també tenen una gran superfície. Aquest últim requisit és crític a causa de la manera única en què els supercondensadors emmagatzemen càrrega elèctrica. Mentre que una bateria convencional emmagatzema càrregues elèctriques mitjançant les reaccions químiques que es produeixen dins d'ella, un supercondensador emmagatzema i separa les càrregues positives i negatives directament a la seva superfície.

"Els supercondensadors poden actuar molt més ràpid que les bateries perquè no estan limitats per la velocitat de la reacció o els subproductes que es poden formar", va dir el coautor principal Matthew Lim, estudiant de doctorat de la UW al Departament de Ciència i Enginyeria de Materials. "Els supercondensadors es poden carregar i descarregar molt ràpidament, per això són excel·lents a l'hora d'oferir aquests" polsos "de potència".

"Tenen aplicacions excel·lents en entorns on una bateria per si sola és massa lenta", va dir el seu autor principal Matthew Crane, estudiant de doctorat al Departament d'Enginyeria Química de la UW. "En els moments en què una bateria és massa lenta per satisfer les demandes d'energia, un supercondensador amb un elèctrode d'àrea superficial elevada podria "encendre's" ràpidament i compensar el dèficit d'energia".

Per obtenir l'alta superfície per a un elèctrode eficient, l'equip va utilitzar aerogels. Es tracta de substàncies humides, semblants a gels, que han passat per un tractament especial d'assecat i escalfament per substituir els seus components líquids per aire o un altre gas. Aquests mètodes conserven l'estructura 3-D del gel, donant-li una gran superfície i una densitat extremadament baixa. És com treure tota l'aigua de Jell-O sense encongir-se.

"Un gram d'aerogel conté aproximadament la mateixa superfície que un camp de futbol", va dir Pauzauskie.

Crane va fabricar aerogels a partir d'un polímer semblant a un gel, un material amb unitats estructurals repetides, creat a partir de formaldehid i altres molècules basades en carboni. Això va assegurar que el seu dispositiu, com els elèctrodes de supercondensadors actuals, constaria de materials rics en carboni.

Anteriorment, Lim va demostrar que l'addició de grafè, que és una làmina de carboni de només un àtom de gruix, al gel imbuïa l'aerogel resultant amb propietats de supercondensador. Però, Lim i Crane necessitaven millorar el rendiment de l'aerogel i fer que el procés de síntesi sigui més barat i més fàcil.

En els experiments anteriors de Lim, afegir grafè no havia millorat la capacitat de l'aerogel. Així, en canvi, van carregar aerogels amb làmines fines de disulfur de molibdè o disulfur de tungstè. Tots dos productes químics s'utilitzen àmpliament avui dia en lubricants industrials.

Els investigadors van tractar ambdós materials amb ones sonores d'alta freqüència per trencar-los en làmines fines i els van incorporar a la matriu de gel rica en carboni. Podrien sintetitzar un gel humit completament carregat en menys de dues hores, mentre que altres mètodes trigarien molts dies.

Després d'obtenir l'aerogel sec i de baixa densitat, el van combinar amb adhesius i un altre material ric en carboni per crear una "massa" industrial, que Lim podria simplement estirar en làmines d'unes quantes mil·lèsimes de polzada de gruix. Van tallar discos de mitja polzada de la massa i els van muntar en carcassas simples de bateries monedes per provar l'eficàcia del material com a elèctrode de supercondensador.

Els seus elèctrodes no només eren ràpids, senzills i fàcils de sintetitzar, sinó que també tenien una capacitat almenys un 127 per cent més gran que l'aerogel ric en carboni.

Lim i Crane esperen que els aerogels carregats amb làmines encara més primes de disulfur de molibdè o disulfur de tungstè (els seus tenien un gruix d'uns 10 a 100 àtoms) mostraran un rendiment encara millor. Però primer, volien demostrar que els aerogels carregats serien més ràpids i barats de sintetitzar, un pas necessari per a la producció industrial. L'afinació ve després.

L'equip creu que aquests esforços poden ajudar a avançar la ciència fins i tot fora de l'àmbit dels elèctrodes de supercondensadors. El seu disulfur de molibdè suspès en aerogel podria romandre prou estable per catalitzar la producció d'hidrogen. I el seu mètode per atrapar materials ràpidament en aerogels es podria aplicar a bateries d'alta capacitat o catàlisi.