Superkondentsadoreak ohiko bateriak baino energia azkarrago gorde eta eman dezakeen gailu mota bat dira. Eskaera handia dute auto elektrikoak, haririk gabeko telekomunikazioak eta potentzia handiko laserrak barne.

Baina aplikazio hauek gauzatzeko, superkondentsadoreek elektrodo hobeak behar dituzte, superkondentsadorea haien energiaren menpe dauden gailuekin konektatzen dutenak. Elektrodo hauek eskala handian egiteko azkarragoak eta merkeagoak izan behar dute eta, gainera, karga elektrikoa azkarrago kargatu eta deskargatzeko gai izan behar dute. Washingtongo Unibertsitateko ingeniari talde batek uste du industria- eta erabilera-eskakizun zorrotz horiek beteko dituen superkondentsadore-elektrodoen materialak fabrikatzeko prozesu bat asmatu dutela.

Peter Pauzauskie UWko materialen zientzia eta ingeniaritzako irakasle laguntzaileak zuzendutako ikertzaileek Nature Microsystems and Nanoengineering aldizkarian artikulu bat argitaratu zuten uztailaren 17an, haien superkondentsadorearen elektrodoa eta egiteko modu azkar eta merkea deskribatuz. Haien metodo berria karbonoan aberatsak diren materialekin hasten da, aerogel izeneko dentsitate baxuko matrize batean lehortu direnak. Aerogel honek bere kabuz elektrodo gordin gisa jardun dezake, baina Pauzauskieren taldeak bere kapazitatea bikoiztu zuen, hau da, karga elektrikoa gordetzeko duen gaitasuna.

Hasierako material merke hauek, sintesi prozesu erraztu batekin batera, aplikazio industrialerako ohiko bi oztopo minimizatzen dituzte: kostua eta abiadura.

"Industria aplikazioetan, denbora dirua da", esan zuen Pauzauskiek. «Elektrodo horien hasierako materialak orduetan egin ditzakegu, asteetan baino. Eta horrek nabarmen murriztu dezake errendimendu handiko superkondentsadoreen elektrodoak egiteko sintesi-kostua".

Superkondentsadore-elektrodo eraginkorrak karbonoan aberatsak diren materialetatik sintetizatzen dira, azalera handia dutenak ere. Azken baldintza hau ezinbestekoa da superkondentsadoreek karga elektrikoa gordetzen duten modu bereziagatik. Ohiko bateria batek bere barnean gertatzen diren erreakzio kimikoen bidez karga elektrikoak gordetzen dituen bitartean, superkondentsadore batek karga positiboak eta negatiboak zuzenean gordetzen eta bereizten ditu bere gainazalean.

"Superkondentsadoreek bateriak baino askoz azkarrago jokatu dezakete, sor daitezkeen erreakzioaren edo azpiproduktuen abiadurak mugatuta ez daudelako", esan du Matthew Lim egile nagusiak, Materialen Zientzia eta Ingeniaritza Saileko UWko doktorego ikasleak. "Superkondentsadoreak oso azkar kargatu eta deskargatu daitezke, eta horregatik bikainak dira potentzia "pultsu" hauek ematen".

"Aplikazio bikainak dituzte bateria bat motelegi den ezarpenetan", esan zuen Matthew Crane egile nagusiak, UWko Ingeniaritza Kimikoko Departamentuko doktorego ikasleak. "Bateria bat motelegi den momentuetan energia-eskaerak asetzeko, azalera handiko elektrodoa duen superkondentsadore batek azkar 'ostiko' egin dezake eta energia-defizita konpon daiteke".

Elektrodo eraginkor baten azalera handia lortzeko, taldeak aerogelak erabili zituen. Gelaren antzeko substantzia hezeak dira, lehortzeko eta berotzeko tratamendu berezi bat jasan duten osagai likidoak airez edo beste gas batekin ordezkatzeko. Metodo hauek gelaren 3-D egitura mantentzen dute, azalera handia eta dentsitate oso baxua emanez. Jell-Otik ur guztia txikitu gabe kentzea bezalakoa da.

"Airgel gramo batek futbol-zelai batek bezain azalera du", esan zuen Pauzauskiek.

Crane-k gel-itxurako polimero batekin egin zituen aerogelak, egitura-unitate errepikakorrak dituen materiala, formaldehidoz eta karbono-oinarritutako beste molekulek sortutakoa. Horrek bermatu zuen haien gailuak, egungo superkondentsadoreen elektrodoak bezala, karbonoan aberatsak diren materialez osatuta egongo zela.

Aurretik, Limek frogatu zuen gelari grafenoa gehitzeak —atomo bakarreko karbonozko xafla bat dena— ondoriozko aerogelari superkondentsadorearen propietateak ematen zizkiola. Baina, Lim eta Crane-k aerogelaren errendimendua hobetu behar zuten, eta sintesi-prozesua merkeagoa eta errazagoa izan.

Lim-en aurreko esperimentuetan, grafenoa gehitzeak ez zuen aerogelaren kapazitatea hobetu. Beraz, aerogelak molibdeno disulfurozko edo wolframio disulfurozko xafla meheekin kargatu zituzten. Bi produktu kimikoak asko erabiltzen dira gaur egun lubrifikatzaile industrialetan.

Ikertzaileek bi materialak maiztasun handiko soinu-uhinekin tratatu zituzten xafla meheetan apurtzeko eta karbonoan aberatsa den gel-matrizean sartu zituzten. Bi ordu baino gutxiagotan guztiz kargatutako gel hezea sintetiza lezakete, beste metodo batzuek egun asko beharko lituzkete.

Dentsitate baxuko aerogel lehortua lortu ondoren, itsasgarriekin eta karbonoz aberatsa den beste material batekin konbinatu zuten "ore" industrial bat sortzeko, eta Limek hazbeteko milenen gutxiko xafletan zabaldu zezakeen. Oretik hazbete erdiko diskoak moztu eta txanpon-zelulen baterien karkasetan muntatu zituzten materialaren eraginkortasuna superkondentsadore-elektrodo gisa probatzeko.

Haien elektrodoak azkarrak, sinpleak eta sintetizatzeko errazak ez ezik, karbonoan aberatsa den aerogelak baino gutxienez ehuneko 127 handiagoa izan zuten kapazitatea ere.

Lim eta Crane-k espero dute molibdeno disulfurozko edo wolframio disulfurozko xafla are meheagoekin kargatutako aerogelek (10 eta 100 atomo inguruko lodiera zutenak) are errendimendu hobea erakutsiko zutela. Baina lehenik eta behin, kargatutako aerogelak sintetizatzeko azkarragoak eta merkeagoak izango zirela erakutsi nahi zuten, produkzio industrialerako beharrezko urratsa. Afinazioa hurrengoa dator.

Taldearen ustez, ahalegin hauek zientzia aurreratzen lagundu dezakete superkondentsadoreen elektrodoen eremutik kanpo ere. Haien aerogelez esekitako molibdeno disulfuroa nahikoa egonkor gera daiteke hidrogenoaren ekoizpena katalizatzeko. Eta aerogeletan materialak azkar harrapatzeko euren metodoa kapazitate handiko baterietan edo katalisietan aplika daiteke.