Mae supercapacitors yn fath o ddyfais a enwir yn briodol sy'n gallu storio a darparu ynni yn gyflymach na batris confensiynol. Mae galw mawr amdanynt am gymwysiadau gan gynnwys ceir trydan, telathrebu diwifr a laserau pŵer uchel.

Ond i wireddu'r cymwysiadau hyn, mae angen gwell electrodau ar supercapacitors, sy'n cysylltu'r supercapacitor i'r dyfeisiau sy'n dibynnu ar eu hegni. Mae angen i'r electrodau hyn fod yn gyflymach ac yn rhatach i'w gwneud ar raddfa fawr a hefyd yn gallu gwefru a gollwng eu llwyth trydanol yn gyflymach. Mae tîm o beirianwyr ym Mhrifysgol Washington o'r farn eu bod wedi llunio proses ar gyfer gweithgynhyrchu deunyddiau electrod supercapacitor a fydd yn bodloni'r gofynion diwydiannol a defnydd llym hyn.

Cyhoeddodd yr ymchwilwyr, dan arweiniad athro cynorthwyol gwyddor deunyddiau a pheirianneg PC Peter Pauzauskie, bapur ar Orffennaf 17 yn y cyfnodolyn Nature Microsystems a Nanoengineering yn disgrifio eu electrod supercapacitor a'r ffordd gyflym, rhad y gwnaethon nhw ei wneud. Mae eu dull newydd yn dechrau gyda deunyddiau carbon-gyfoethog sydd wedi'u sychu i mewn i fatrics dwysedd isel o'r enw aerogel. Gall yr aergel hwn ar ei ben ei hun weithredu fel electrod crai, ond mae tîm Pauzauskie wedi mwy na dyblu ei gynhwysedd, sef ei allu i storio gwefr drydanol.

Mae'r deunyddiau cychwyn rhad hyn, ynghyd â phroses synthesis symlach, yn lleihau dau rwystr cyffredin i gymhwysiad diwydiannol: cost a chyflymder.

“Mewn cymwysiadau diwydiannol, arian yw amser,” meddai Pauzauskie. “Gallwn wneud y deunyddiau cychwyn ar gyfer yr electrodau hyn mewn oriau, yn hytrach nag wythnosau. A gall hynny leihau’n sylweddol y gost synthesis ar gyfer gwneud electrodau supercapacitor perfformiad uchel.”

Mae electrodau supercapacitor effeithiol yn cael eu syntheseiddio o ddeunyddiau carbon-gyfoethog sydd hefyd ag arwynebedd arwyneb uchel. Mae'r gofyniad olaf yn hollbwysig oherwydd y ffordd unigryw y mae uwch-gynwysyddion yn storio gwefr drydanol. Tra bod batri confensiynol yn storio gwefrau trydan trwy'r adweithiau cemegol sy'n digwydd ynddo, mae uwch-gynhwysydd yn storio ac yn gwahanu gwefrau positif a negyddol yn uniongyrchol ar ei wyneb.

“Gall supercapacitors weithredu’n llawer cyflymach na batris oherwydd nid ydynt wedi’u cyfyngu gan gyflymder yr adwaith neu’r sgil-gynhyrchion a all ffurfio,” meddai’r awdur cyd-arweiniol Matthew Lim, myfyriwr doethuriaeth PC yn yr Adran Gwyddor Deunyddiau a Pheirianneg. “Gall uwch-gynhwysyddion wefru a gollwng yn gyflym iawn, a dyna pam maen nhw'n wych am gyflwyno'r 'pwls' pŵer hyn.”

“Mae ganddyn nhw gymwysiadau gwych mewn lleoliadau lle mae batri ar ei ben ei hun yn rhy araf,” meddai cyd-awdur arweiniol Matthew Crane, myfyriwr doethuriaeth yn Adran Peirianneg Cemegol PC. “Mewn eiliadau lle mae batri yn rhy araf i fodloni gofynion ynni, gallai uwch-gynhwysydd ag electrod arwynebedd arwyneb uchel ‘gicio’ i mewn yn gyflym a gwneud iawn am y diffyg ynni.”

Er mwyn cael yr arwynebedd arwyneb uchel ar gyfer electrod effeithlon, defnyddiodd y tîm aerogels. Mae'r rhain yn sylweddau gwlyb, tebyg i gel sydd wedi mynd trwy driniaeth arbennig o sychu a gwresogi i ddisodli eu cydrannau hylif ag aer neu nwy arall. Mae'r dulliau hyn yn cadw strwythur 3-D y gel, gan roi arwynebedd arwyneb uchel a dwysedd isel iawn iddo. Mae fel tynnu'r holl ddŵr allan o Jell-O heb unrhyw grebachu.

“Mae un gram o aergel yn cynnwys cymaint o arwynebedd ag un cae pêl-droed,” meddai Pauzauskie.

Roedd craen yn gwneud aerogelau o bolymer tebyg i gel, deunydd ag unedau strwythurol ailadroddus, wedi'i greu o fformaldehyd a moleciwlau carbon eraill. Sicrhaodd hyn y byddai eu dyfais, fel yr electrodau supercapacitor heddiw, yn cynnwys deunyddiau llawn carbon.

Yn flaenorol, dangosodd Lim fod ychwanegu graphene - sef dalen o garbon dim ond un atom o drwch - i'r gel wedi trwytho'r aergel canlyniadol gyda phriodweddau uwchgynhwysydd. Ond, roedd angen i Lim and Crane wella perfformiad yr aerogel, a gwneud y broses synthesis yn rhatach ac yn haws.

Yn arbrofion blaenorol Lim, nid oedd ychwanegu graphene wedi gwella cynhwysedd yr aerogel. Felly, yn lle hynny, fe wnaethant lwytho aerogels â dalennau tenau o naill ai disulfide molybdenwm neu disulfide twngsten. Defnyddir y ddau gemegyn yn eang heddiw mewn ireidiau diwydiannol.

Fe wnaeth yr ymchwilwyr drin y ddau ddeunydd â thonnau sain amledd uchel i'w torri'n dalennau tenau a'u hymgorffori yn y matrics gel llawn carbon. Gallent syntheseiddio gel gwlyb wedi'i lwytho'n llawn mewn llai na dwy awr, tra byddai dulliau eraill yn cymryd llawer o ddyddiau.

Ar ôl cael yr aerogel sych, dwysedd isel, fe wnaethant ei gyfuno â gludyddion a deunydd arall llawn carbon i greu “toes” diwydiannol y gallai Lim ei gyflwyno i ddalennau ychydig filoedd o fodfedd o drwch yn unig. Fe wnaethon nhw dorri disgiau hanner modfedd o'r toes a'u cydosod yn gasinau batri celloedd darn arian syml i brofi effeithiolrwydd y deunydd fel electrod supercapacitor.

Nid yn unig yr oedd eu electrodau'n gyflym, yn syml ac yn hawdd i'w syntheseiddio, ond roedd ganddynt hefyd gynhwysedd o leiaf 127 y cant yn fwy na'r aergel llawn carbon yn unig.

Mae Lim and Crane yn disgwyl y byddai aerogels wedi'u llwytho â dalennau hyd yn oed yn deneuach o disulfide molybdenwm neu disulfide twngsten - roedd eu rhai tua 10 i 100 o atomau o drwch - yn dangos perfformiad gwell fyth. Ond yn gyntaf, roeddent am ddangos y byddai aerogels wedi'u llwytho yn gyflymach ac yn rhatach i'w syntheseiddio, cam angenrheidiol ar gyfer cynhyrchu diwydiannol. Daw'r cyweirio nesaf.

Mae'r tîm yn credu y gall yr ymdrechion hyn helpu i ddatblygu gwyddoniaeth hyd yn oed y tu allan i faes electrodau supercapacitor. Gallai eu disulfide molybdenwm crog aerogel aros yn ddigon sefydlog i gataleiddio cynhyrchu hydrogen. A gellid cymhwyso eu dull o ddal deunyddiau'n gyflym mewn aerogels i fatris cynhwysedd uchel neu gatalysis.