Superkondensaatorid on sobiva nimega seade, mis suudab salvestada ja edastada energiat kiiremini kui tavalised akud. Nende järele on suur nõudlus rakenduste, sealhulgas elektriautode, traadita telekommunikatsiooni ja suure võimsusega laserite järele.

Kuid nende rakenduste realiseerimiseks vajavad superkondensaatorid paremaid elektroode, mis ühendavad superkondensaatori nende energiast sõltuvate seadmetega. Neid elektroode peab olema kiirem ja odavam suuremahuliselt valmistada ning samuti peab nende elektrikoormust kiiremini laadima ja tühjendama. Washingtoni ülikooli inseneride meeskond arvab, et nad on välja pakkunud protsessi superkondensaatori elektroodimaterjalide valmistamiseks, mis vastavad nendele rangetele tööstus- ja kasutusnõuetele.

UW materjaliteaduse ja inseneriteaduse abiprofessori Peter Pauzauskie juhitud teadlased avaldasid 17. juulil ajakirjas Nature Microsystems and Nanoengineering artikli, milles kirjeldasid oma superkondensaatori elektroodi ning selle kiiret ja odavat valmistamisviisi. Nende uudne meetod algab süsinikurikaste materjalidega, mis on kuivatatud madala tihedusega maatriksiks, mida nimetatakse aerogeeliks. See aerogeel üksinda võib toimida toorelektroodina, kuid Pauzauskie meeskond suurendas enam kui kahekordselt oma mahtuvust, mis on selle võime salvestada elektrilaengut.

Need odavad lähtematerjalid koos sujuva sünteesiprotsessiga vähendavad tööstuslikul kasutamisel kaks ühist takistust: kulud ja kiirus.

"Tööstuslikes rakendustes on aeg raha," ütles Pauzauskie. "Me saame nende elektroodide jaoks lähtematerjalid valmistada tundide, mitte nädalate jooksul. Ja see võib märkimisväärselt vähendada suure jõudlusega superkondensaatori elektroodide valmistamise sünteesikulusid.

Tõhusad superkondensaatori elektroodid sünteesitakse süsinikurikastest materjalidest, millel on ka suur pindala. Viimane nõue on ülioluline, kuna superkondensaatorid salvestavad elektrilaengu ainulaadselt. Kui tavaline aku salvestab elektrilaenguid selles toimuvate keemiliste reaktsioonide kaudu, siis superkondensaator salvestab ja eraldab positiivsed ja negatiivsed laengud otse selle pinnal.

"Superkondensaatorid võivad toimida palju kiiremini kui akud, kuna neid ei piira reaktsiooni kiirus ega tekkivad kõrvalsaadused," ütles kaasautor Matthew Lim, UW materjaliteaduse ja tehnika osakonna doktorant. "Superkondensaatorid saavad väga kiiresti laadida ja tühjeneda, mistõttu on nad suurepärased nende võimsuse impulsside edastamisel."

"Neil on suurepärased rakendused seadetes, kus aku üksinda on liiga aeglane," ütles kaasautor Matthew Crane, UW keemiatehnika osakonna doktorant. "Hetkedel, mil aku on energiavajaduse rahuldamiseks liiga aeglane, võib suure pindalaga elektroodiga superkondensaator kiiresti sisse lüüa ja energiapuuduse korvata."

Tõhusa elektroodi jaoks suure pindala saamiseks kasutas meeskond aerogeele. Need on märjad geelitaolised ained, mis on läbinud spetsiaalse kuivatamise ja kuumutamise, et asendada nende vedelad komponendid õhu või muu gaasiga. Need meetodid säilitavad geeli 3-D struktuuri, andes sellele suure pindala ja äärmiselt madala tiheduse. See on nagu kogu vee eemaldamine Jell-O-st ilma kokkutõmbumiseta.

"Üks gramm aerogeeli sisaldab umbes sama palju pinda kui üks jalgpalliväljak," ütles Pauzauskie.

Crane valmistas aerogeele geelilaadsest polümeerist, korduvate struktuuriüksustega materjalist, mis on loodud formaldehüüdist ja teistest süsinikupõhistest molekulidest. See tagas, et nende seade, nagu ka tänapäeva superkondensaatori elektroodid, koosneks süsinikurikastest materjalidest.

Varem näitas Lim, et grafeeni – mis on vaid ühe aatomi paksune süsinikuleht – lisamine geelile immutas saadud aerogeeli superkondensaatori omadustega. Kuid Lim ja Crane pidid parandama aerogeeli jõudlust ning muutma sünteesiprotsessi odavamaks ja lihtsamaks.

Limi eelmistes katsetes ei olnud grafeeni lisamine aerogeeli mahtuvust parandanud. Seetõttu laadisid nad aerogeelid õhukeste molübdeendisulfiidi või volframdisulfiidi lehtedega. Mõlemat kemikaali kasutatakse tänapäeval laialdaselt tööstuslikes määrdeainetes.

Teadlased töötlesid mõlemat materjali kõrgsageduslike helilainetega, et purustada need õhukesteks lehtedeks ja lisada need süsinikurikkasse geelmaatriksisse. Nad suudavad sünteesida täielikult laetud märja geeli vähem kui kahe tunniga, samas kui teistel meetoditel kuluks mitu päeva.

Pärast kuivatatud madala tihedusega aerogeeli saamist kombineerisid nad selle liimide ja teise süsinikurikka materjaliga, et luua tööstuslik "taigen", mille Lim võis lihtsalt rullida vaid mõne tuhandiku tolli paksusteks lehtedeks. Nad lõikasid taignast pooletollised kettad ja panid need kokku lihtsatesse mündipatareide korpustesse, et testida materjali efektiivsust superkondensaatori elektroodina.

Nende elektroodid polnud mitte ainult kiired, lihtsad ja kergesti sünteesitavad, vaid ka mahtuvus vähemalt 127 protsenti suurem kui süsinikurikkal aerogeelil üksi.

Lim ja Crane eeldavad, et aerogeelid, mis on laetud veelgi õhemate molübdeendisulfiidi või volframidisulfiidi lehtedega – nende paksus oli umbes 10–100 aatomit –, näitavad veelgi paremat jõudlust. Kuid kõigepealt tahtsid nad näidata, et laaditud aerogeele oleks kiirem ja odavam sünteesida, mis on tööstusliku tootmise jaoks vajalik samm. Järgmisena tuleb peenhäälestus.

Meeskond usub, et need jõupingutused võivad aidata teadust edendada isegi väljaspool superkondensaatori elektroodide valdkonda. Nende aerogeeliga suspendeeritud molübdeendisulfiid võib jääda vesiniku tootmise katalüüsimiseks piisavalt stabiilseks. Ja nende meetodit materjalide kiireks püüdmiseks aerogeelidesse saab rakendada suure mahtuvusega akude või katalüüsi puhul.