Οι υπερπυκνωτές είναι ένας εύστοχος τύπος συσκευής που μπορεί να αποθηκεύει και να παρέχει ενέργεια πιο γρήγορα από τις συμβατικές μπαταρίες. Έχουν μεγάλη ζήτηση για εφαρμογές όπως ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ασύρματες τηλεπικοινωνίες και λέιζερ υψηλής ισχύος.

Αλλά για να πραγματοποιηθούν αυτές οι εφαρμογές, οι υπερπυκνωτές χρειάζονται καλύτερα ηλεκτρόδια, τα οποία συνδέουν τον υπερπυκνωτή με τις συσκευές που εξαρτώνται από την ενέργειά τους. Αυτά τα ηλεκτρόδια πρέπει να είναι ταχύτερα και φθηνότερα για να κατασκευαστούν σε μεγάλη κλίμακα και επίσης να μπορούν να φορτίζουν και να εκφορτίζουν το ηλεκτρικό τους φορτίο πιο γρήγορα. Μια ομάδα μηχανικών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον πιστεύει ότι έχει καταλήξει σε μια διαδικασία για την κατασκευή υλικών ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών που θα ανταποκρίνεται σε αυτές τις αυστηρές βιομηχανικές απαιτήσεις και απαιτήσεις χρήσης.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή επιστήμης και μηχανικής υλικών στο UW, Peter Pauzauskie, δημοσίευσαν μια εργασία στις 17 Ιουλίου στο περιοδικό Nature Microsystems and Nanoengineering που περιγράφει το ηλεκτρόδιο του υπερπυκνωτή και τον γρήγορο, φθηνό τρόπο που το έφτιαξαν. Η νέα τους μέθοδος ξεκινά με υλικά πλούσια σε άνθρακα που έχουν στεγνώσει σε μια μήτρα χαμηλής πυκνότητας που ονομάζεται αερογέλη. Αυτό το αερογέλη από μόνο του μπορεί να λειτουργήσει ως ακατέργαστο ηλεκτρόδιο, αλλά η ομάδα του Pauzauskie υπερδιπλασίασε τη χωρητικότητά του, που είναι η ικανότητά του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο.

Αυτά τα φθηνά αρχικά υλικά, σε συνδυασμό με μια βελτιωμένη διαδικασία σύνθεσης, ελαχιστοποιούν δύο κοινά εμπόδια στη βιομηχανική εφαρμογή: το κόστος και την ταχύτητα.

«Στις βιομηχανικές εφαρμογές, ο χρόνος είναι χρήμα», είπε ο Pauzauskie. «Μπορούμε να φτιάξουμε τα αρχικά υλικά για αυτά τα ηλεκτρόδια σε ώρες και όχι σε εβδομάδες. Και αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος σύνθεσης για την κατασκευή ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών υψηλής απόδοσης».

Τα αποτελεσματικά ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών συντίθενται από υλικά πλούσια σε άνθρακα που έχουν επίσης μεγάλη επιφάνεια. Η τελευταία απαίτηση είναι κρίσιμη λόγω του μοναδικού τρόπου με τον οποίο οι υπερπυκνωτές αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο. Ενώ μια συμβατική μπαταρία αποθηκεύει ηλεκτρικά φορτία μέσω των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα της, ένας υπερπυκνωτής αποθηκεύει και διαχωρίζει θετικά και αρνητικά φορτία απευθείας στην επιφάνειά του.

«Οι υπερπυκνωτές μπορούν να δράσουν πολύ πιο γρήγορα από τις μπαταρίες επειδή δεν περιορίζονται από την ταχύτητα της αντίδρασης ή τα υποπροϊόντα που μπορούν να σχηματιστούν», δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Μάθιου Λιμ, διδακτορικός φοιτητής του UW στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών. «Οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν πολύ γρήγορα, γι' αυτό είναι εξαιρετικοί στο να προσφέρουν αυτούς τους «παλμούς» ισχύος».

«Έχουν εξαιρετικές εφαρμογές σε ρυθμίσεις όπου μια μπαταρία από μόνη της είναι πολύ αργή», είπε ο συνάδελφος επικεφαλής συγγραφέας Μάθιου Κρέιν, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής του UW. «Σε στιγμές όπου μια μπαταρία είναι πολύ αργή για να καλύψει τις ενεργειακές απαιτήσεις, ένας υπερπυκνωτής με ηλεκτρόδιο υψηλής επιφάνειας θα μπορούσε να «κλωτσήσει» γρήγορα και να αναπληρώσει το ενεργειακό έλλειμμα».

Για να αποκτήσει την υψηλή επιφάνεια για ένα αποτελεσματικό ηλεκτρόδιο, η ομάδα χρησιμοποίησε αεροπηκτές. Πρόκειται για υγρές ουσίες που μοιάζουν με gel που έχουν υποστεί ειδική επεξεργασία ξήρανσης και θέρμανσης για να αντικαταστήσουν τα υγρά συστατικά τους με αέρα ή άλλο αέριο. Αυτές οι μέθοδοι διατηρούν την τρισδιάστατη δομή του τζελ, δίνοντάς του μεγάλη επιφάνεια και εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα. Είναι σαν να αφαιρείτε όλο το νερό από το Jell-O χωρίς συρρίκνωση.

«Ένα γραμμάριο αερογέλης περιέχει περίπου τόση επιφάνεια όσο ένα γήπεδο ποδοσφαίρου», είπε ο Pauzauskie.

Ο γερανός κατασκεύασε αερογέλη από ένα πολυμερές που μοιάζει με γέλη, ένα υλικό με επαναλαμβανόμενες δομικές μονάδες, που δημιουργήθηκε από φορμαλδεΰδη και άλλα μόρια με βάση τον άνθρακα. Αυτό εξασφάλιζε ότι η συσκευή τους, όπως και τα σημερινά ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών, θα αποτελούνταν από υλικά πλούσια σε άνθρακα.

Προηγουμένως, ο Lim έδειξε ότι η προσθήκη γραφενίου - το οποίο είναι ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόλις ενός ατόμου - στο πήκτωμα εμποτίζει την προκύπτουσα αερογέλη με ιδιότητες υπερπυκνωτή. Όμως, οι Lim και Crane χρειάστηκαν να βελτιώσουν την απόδοση του αεροτζελ και να κάνουν τη διαδικασία σύνθεσης φθηνότερη και ευκολότερη.

Στα προηγούμενα πειράματα του Lim, η προσθήκη γραφενίου δεν είχε βελτιώσει την χωρητικότητα του αερογέλης. Έτσι φόρτωσαν αντ 'αυτού τα αερογέλη με λεπτά φύλλα είτε από δισουλφίδιο του μολυβδαινίου είτε από δισουλφίδιο βολφραμίου. Και οι δύο χημικές ουσίες χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα σε βιομηχανικά λιπαντικά.

Οι ερευνητές επεξεργάστηκαν και τα δύο υλικά με ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας για να τα σπάσουν σε λεπτά φύλλα και τα ενσωμάτωσαν στην πλούσια σε άνθρακα μήτρα γέλης. Θα μπορούσαν να συνθέσουν ένα πλήρως φορτωμένο υγρό τζελ σε λιγότερο από δύο ώρες, ενώ άλλες μέθοδοι θα χρειάζονταν πολλές ημέρες.

Αφού έλαβαν το αποξηραμένο αερογέλη χαμηλής πυκνότητας, το συνδύασαν με κόλλες και άλλο υλικό πλούσιο σε άνθρακα για να δημιουργήσουν μια βιομηχανική «ζύμη», την οποία ο Lim θα μπορούσε απλά να απλώσει σε φύλλα πάχους μόλις λίγων χιλιοστών της ίντσας. Έκοψαν δίσκους μισής ίντσας από τη ζύμη και τους συναρμολόγησαν σε απλά περιβλήματα μπαταρίας σε σχήμα νομίσματος για να δοκιμάσουν την αποτελεσματικότητα του υλικού ως υπερπυκνωτικού ηλεκτροδίου.

Όχι μόνο τα ηλεκτρόδιά τους ήταν γρήγορα, απλά και εύκολα στη σύνθεση, αλλά είχαν επίσης χωρητικότητα τουλάχιστον 127 τοις εκατό μεγαλύτερη από την πλούσια σε άνθρακα airgel μόνο.

Ο Lim και ο Crane αναμένουν ότι τα αερογέλη φορτωμένα με ακόμη λεπτότερα φύλλα δισουλφιδίου μολυβδαινίου ή δισουλφιδίου βολφραμίου -τα οποία είχαν πάχος περίπου 10 έως 100 ατόμων- θα έδειχναν ακόμη καλύτερη απόδοση. Πρώτα, όμως, ήθελαν να δείξουν ότι τα φορτωμένα αερογέλη θα ήταν ταχύτερα και φθηνότερα στη σύνθεση, ένα απαραίτητο βήμα για τη βιομηχανική παραγωγή. Ακολουθεί η τελειοποίηση.

Η ομάδα πιστεύει ότι αυτές οι προσπάθειες μπορούν να βοηθήσουν στην πρόοδο της επιστήμης ακόμη και εκτός της σφαίρας των ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών. Το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου τους που αιωρείται σε αερογέλη μπορεί να παραμείνει αρκετά σταθερό για να καταλύει την παραγωγή υδρογόνου. Και η μέθοδός τους για την ταχεία παγίδευση υλικών σε αεροτζέλες θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας ή κατάλυση.