Superkondenzátory jsou příhodně pojmenovaný typ zařízení, které dokáže ukládat a dodávat energii rychleji než běžné baterie. Jsou velmi žádané pro aplikace včetně elektrických automobilů, bezdrátových telekomunikací a vysoce výkonných laserů.

K realizaci těchto aplikací však superkondenzátory potřebují lepší elektrody, které spojují superkondenzátor se zařízeními závislými na jejich energii. Tyto elektrody musí být rychlejší a levnější pro výrobu ve velkém měřítku a také musí být schopny rychleji nabíjet a vybíjet svou elektrickou zátěž. Tým inženýrů z University of Washington si myslí, že přišel s procesem výroby superkondenzátorových elektrodových materiálů, které budou splňovat tyto přísné průmyslové a uživatelské požadavky.

Výzkumníci pod vedením profesora materiálové vědy a inženýrství UW Petera Pauzauskieho publikovali 17. července v časopise Nature Microsystems and Nanoengineering článek popisující jejich superkondenzátorovou elektrodu a rychlý a levný způsob, jakým ji vyrobili. Jejich nová metoda začíná s materiály bohatými na uhlík, které byly vysušeny do matrice s nízkou hustotou nazývané aerogel. Tento aerogel sám o sobě může fungovat jako hrubá elektroda, ale Pauzauskieho tým více než zdvojnásobil jeho kapacitu, což je jeho schopnost uchovávat elektrický náboj.

Tyto levné výchozí materiály ve spojení s efektivním procesem syntézy minimalizují dvě běžné překážky průmyslové aplikace: náklady a rychlost.

„V průmyslových aplikacích jsou čas peníze,“ řekl Pauzauskie. „Výchozí materiály pro tyto elektrody dokážeme vyrobit během hodin, spíše než týdnů. A to může výrazně snížit náklady na syntézu na výrobu vysoce výkonných superkondenzátorových elektrod.“

Efektivní elektrody superkondenzátoru jsou syntetizovány z materiálů bohatých na uhlík, které mají také velký povrch. Poslední požadavek je kritický kvůli jedinečnému způsobu, jakým superkondenzátory ukládají elektrický náboj. Zatímco konvenční baterie ukládá elektrický náboj prostřednictvím chemických reakcí, které v ní probíhají, superkondenzátor místo toho ukládá a odděluje kladné a záporné náboje přímo na svém povrchu.

"Superkondenzátory mohou fungovat mnohem rychleji než baterie, protože nejsou omezeny rychlostí reakce nebo vedlejšími produkty, které se mohou tvořit," řekl spoluautor Matthew Lim, doktorand UW na katedře materiálových věd a inženýrství. "Superkondenzátory se mohou nabíjet a vybíjet velmi rychle, a proto jsou skvělé v poskytování těchto "pulzů" energie."

"Mají skvělé aplikace v prostředích, kde je baterie sama o sobě příliš pomalá," řekl kolega vedoucí autor Matthew Crane, doktorand na katedře chemického inženýrství UW. "V okamžicích, kdy je baterie příliš pomalá na to, aby pokryla energetické požadavky, by se superkondenzátor s elektrodou s velkým povrchem mohl rychle "nakopnout" a nahradit energetický deficit."

Aby tým získal vysokou povrchovou plochu pro účinnou elektrodu, použil aerogely. Jedná se o vlhké, gelovité látky, které prošly speciální úpravou sušením a ohřevem, aby byly jejich kapalné složky nahrazeny vzduchem nebo jiným plynem. Tyto metody zachovávají 3-D strukturu gelu, dávají mu velký povrch a extrémně nízkou hustotu. Je to jako odstranit veškerou vodu z Jell-O bez smrštění.

"Jeden gram aerogelu obsahuje asi tolik plochy jako jedno fotbalové hřiště," řekl Pauzauskie.

Crane vyrobil aerogely z gelovitého polymeru, materiálu s opakujícími se strukturními jednotkami, vytvořeného z formaldehydu a dalších molekul na bázi uhlíku. To zajistilo, že jejich zařízení, stejně jako dnešní elektrody superkondenzátorů, bude sestávat z materiálů bohatých na uhlík.

Již dříve Lim prokázal, že přidání grafenu – což je vrstva uhlíku o tloušťce pouze jednoho atomu – do gelu naplnila výsledný aerogel vlastnostmi superkondenzátoru. Lim a Crane však potřebovali zlepšit výkon aerogelu a zlevnit a zjednodušit proces syntézy.

V předchozích Limových experimentech přidání grafenu nezlepšilo kapacitu aerogelu. Místo toho naplnili aerogely tenkými pláty buď disulfidu molybdenu nebo disulfidu wolframu. Obě chemikálie se dnes široce používají v průmyslových mazivech.

Vědci oba materiály ošetřili vysokofrekvenčními zvukovými vlnami, aby je rozbili na tenké pláty a začlenili je do gelové matrice bohaté na uhlík. Dokázali syntetizovat plně naplněný vlhký gel za méně než dvě hodiny, zatímco jiné metody by zabraly mnoho dní.

Po získání vysušeného aerogelu s nízkou hustotou jej zkombinovali s lepidly a dalším materiálem bohatým na uhlík, aby vytvořili průmyslové „těsto“, které Lim mohl jednoduše rozválet na pláty o tloušťce pouhých několika tisícin palce. Z těsta vyřezali půlpalcové kotouče a sestavili je do jednoduchých obalů na knoflíkové baterie, aby otestovali účinnost materiálu jako elektrody superkondenzátoru.

Nejen, že byly jejich elektrody rychlé, jednoduché a snadno se syntetizovaly, ale měly také kapacitu nejméně o 127 procent větší než samotný aerogel bohatý na uhlík.

Lim a Crane očekávají, že aerogely naplněné ještě tenčími vrstvami disulfidu molybdeničitého nebo disulfidu wolframu – ty měly tloušťku asi 10 až 100 atomů – by vykazovaly ještě lepší výkon. Nejprve však chtěli ukázat, že naložené aerogely by bylo možné rychleji a levněji syntetizovat, což je nezbytný krok pro průmyslovou výrobu. Na řadu přichází jemné doladění.

Tým věří, že toto úsilí může pomoci posunout vědu i mimo oblast superkondenzátorových elektrod. Jejich disulfid molybdeničitý v aerogelu může zůstat dostatečně stabilní, aby katalyzoval produkci vodíku. A jejich způsob rychlého zachycení materiálů v aerogelech by mohl být aplikován na vysokokapacitní baterie nebo katalýzu.