Superkondensiloj estas trafe nomita speco de aparato kiu povas stoki kaj liveri energion pli rapide ol konvenciaj baterioj. Ili estas tre postulataj por aplikoj inkluzive de elektraj aŭtoj, sendrataj telekomunikadoj kaj alt-motoraj laseroj.

Sed por realigi ĉi tiujn aplikojn, superkondensiloj bezonas pli bonajn elektrodojn, kiuj konektas la superkondensilon al la aparatoj kiuj dependas de sia energio. Ĉi tiuj elektrodoj devas esti kaj pli rapidaj kaj pli malmultekostaj por fari grandskale kaj ankaŭ kapablaj ŝargi kaj malŝarĝi sian elektran ŝarĝon pli rapide. Teamo de inĝenieroj ĉe la Vaŝingtona Universitato opinias, ke ili elpensis procezon por fabrikado de superkondensaj elektrodaj materialoj, kiuj renkontos ĉi tiujn severajn industriajn kaj uzajn postulojn.

La esploristoj, gviditaj de la asistanto profesoro pri materiala scienco kaj inĝenierado de UW Peter Pauzauskie, publikigis artikolon la 17-an de julio en la revuo Nature Microsystems and Nanoengineering priskribanta sian superkondensilan elektrodon kaj la rapidan, malmultekostan manieron kiel ili faris ĝin. Ilia nova metodo komenciĝas per karbon-riĉaj materialoj kiuj estis sekigitaj en malalt-densecan matricon nomitan aeroĝelo. Ĉi tiu aeroĝelo memstare povas funkcii kiel kruda elektrodo, sed la teamo de Pauzauskie pli ol duobligis sian kapacitancon, kio estas ĝia kapablo stoki elektran ŝargon.

Tiuj nekostaj startmaterialoj, kunligitaj kun flulinia sintezprocezo, minimumigas du oftajn barierojn al industria aplikiĝo: kosto kaj rapideco.

"En industriaj aplikoj, tempo estas mono," diris Pauzauskie. "Ni povas fari la komencajn materialojn por ĉi tiuj elektrodoj en horoj, prefere ol semajnoj. Kaj tio povas signife malpliigi la sintezkoston por fabrikado de alt-efikecaj superkondensiloj-elektrodoj."

Efikaj superkondensilelektrodoj estas sintezitaj de karbon-riĉaj materialoj kiuj ankaŭ havas altan surfacareon. Ĉi-lasta postulo estas kritika pro la unika maniero kiel superkondensiloj stokas elektran ŝargon. Dum konvencia baterio stokas elektrajn ŝargojn per la kemiaj reakcioj okazantaj ene de ĝi, superkondensilo anstataŭe stokas kaj apartigas pozitivajn kaj negativajn ŝargojn rekte sur sia surfaco.

"Superkondensiloj povas agi multe pli rapide ol kuirilaroj ĉar ili ne estas limigitaj de la rapideco de la reago aŭ kromproduktoj kiuj povas formiĝi," diris kunĉefa aŭtoro Matthew Lim, doktora studento de UW en la Sekcio de Materiala Scienco kaj Inĝenierado. "Superkondensiloj povas ŝargi kaj malŝarĝi tre rapide, tial ili bonegas liveri ĉi tiujn "pulsojn" de potenco."

"Ili havas bonegajn aplikojn en agordoj kie kuirilaro memstare estas tro malrapida," diris kunĉefaŭtoro Matthew Crane, doktora studento en la UW-Fako de Kemia Inĝenierado. "En momentoj kie baterio estas tro malrapida por plenumi energipostulojn, superkondensilo kun alta surfacareodo povus "piedbati" rapide kaj kompensi la energian deficiton."

Por akiri la altan surfacareon por efika elektrodo, la teamo uzis aeroĝelojn. Ĉi tiuj estas malsekaj, ĝelsimilaj substancoj, kiuj trapasis specialan traktadon de sekigado kaj hejtado por anstataŭigi siajn likvajn komponantojn per aero aŭ alia gaso. Ĉi tiuj metodoj konservas la 3-D strukturon de la ĝelo, donante al ĝi altan surfacareon kaj ekstreme malaltan densecon. Estas kiel forigi la tutan akvon el Jell-O sen ŝrumpado.

"Unu gramo da aeroĝelo enhavas proksimume tiom da surfacareo kiel unu futbalkampo," diris Pauzauskie.

Gruo faris aeroĝelojn el ĝel-simila polimero, materialo kun ripetaj strukturaj unuoj, kreitaj de formaldehido kaj aliaj karbon-bazitaj molekuloj. Tio certigis ke ilia aparato, kiel la hodiaŭaj superkondensilelektrodoj, konsistus el karbon-riĉaj materialoj.

Antaŭe, Lim pruvis, ke aldonado de grafeno - kiu estas folio de karbono dika nur unu atomo - al la ĝelo enpenetris la rezultan aeroĝelon per superkondensatoraj trajtoj. Sed, Lim kaj Crane bezonis plibonigi la efikecon de la aeroĝelo, kaj igi la sintezprocezon pli malmultekosta kaj pli facila.

En la antaŭaj eksperimentoj de Lim, aldoni grafenon ne plibonigis la kapacitancon de la aeroĝelo. Do ili anstataŭe ŝarĝis aeroĝelojn per maldikaj folioj de aŭ molibdendisulfido aŭ volframdisulfido. Ambaŭ kemiaĵoj estas vaste uzataj hodiaŭ en industriaj lubrikaĵoj.

La esploristoj traktis ambaŭ materialojn per altfrekvencaj sonondoj por rompi ilin en maldikaj folioj kaj korpigis ilin en la karbon-riĉa ĝela matrico. Ili povus sintezi plene ŝarĝitan malsekan ĝelon en malpli ol du horoj, dum aliaj metodoj daŭros multajn tagojn.

Post akirado de la sekigita, malalt-denseca aeroĝelo, ili kombinis ĝin kun gluoj kaj alia karbon-riĉa materialo por krei industrian "paston", kiun Lim povis simple etendi al folioj nur kelkajn milonojn da colo dikaj. Ili tranĉis duoncolajn diskojn de la pasto kaj kunvenis ilin en simplajn monerĉelajn bateriokartumojn por testi la efikecon de la materialo kiel superkondensila elektrodo.

Ne nur iliaj elektrodoj estis rapidaj, simplaj kaj facile sintezeblaj, sed ili ankaŭ havis kapacitancon almenaŭ 127 procentojn pli grandan ol la karbon-riĉa aeroĝelo sole.

Lim kaj Crane atendas, ke aeroĝeloj ŝarĝitaj per eĉ pli maldikaj folioj de molibdena disulfido aŭ volframdisulfido - iliaj estis proksimume 10 ĝis 100 atomoj dikaj - montrus eĉ pli bonan rendimenton. Sed unue, ili volis montri, ke ŝarĝitaj aeroĝeloj estus pli rapide kaj pli malmultekostaj por sintezi, necesa paŝo por industria produktado. Poste venas la fajnagordado.

La teamo kredas, ke ĉi tiuj klopodoj povas helpi antaŭenigi sciencon eĉ ekster la sfero de superkondensilelektrodoj. Ilia aeroĝel-suspendita molibdendisulfido eble restos sufiĉe stabila por katalizi hidrogenproduktadon. Kaj ilia metodo por kapti materialojn rapide en aeroĝeloj povus esti aplikita al altaj kapacitancaj baterioj aŭ katalizo.