ابرخازن ها نوع مناسبی از دستگاه هستند که می توانند انرژی را سریعتر از باتری های معمولی ذخیره و تحویل دهند. آنها تقاضای زیادی برای کاربردهایی از جمله ماشین های الکتریکی، مخابرات بی سیم و لیزرهای پرقدرت دارند.

اما برای تحقق این کاربردها، ابرخازن‌ها به الکترودهای بهتری نیاز دارند که ابرخازن را به دستگاه‌هایی متصل می‌کند که به انرژی آنها بستگی دارد. این الکترودها برای ساخت در مقیاس بزرگ باید سریعتر و ارزانتر باشند و همچنین بتوانند بار الکتریکی خود را سریعتر شارژ و تخلیه کنند. تیمی از مهندسین در دانشگاه واشنگتن فکر می‌کنند که فرآیندی را برای تولید مواد الکترود ابرخازن ارائه کرده‌اند که این نیازهای صنعتی و کاربری سخت‌گیرانه را برآورده می‌کند.

محققان به رهبری استادیار علوم و مهندسی مواد UW، Peter Pauzauskie، مقاله‌ای را در 17 ژوئیه در مجله Nature Microsystems and Nanoengineering منتشر کردند که در آن الکترود ابرخازن خود و روش سریع و ارزان ساخت آن را شرح می‌داد. روش جدید آنها با مواد غنی از کربن شروع می شود که در یک ماتریس با چگالی کم به نام آئروژل خشک شده اند. این آئروژل به تنهایی می‌تواند به عنوان یک الکترود خام عمل کند، اما تیم Pauzauskie ظرفیت آن را بیش از دو برابر کردند که توانایی آن در ذخیره بار الکتریکی است.

این مواد اولیه ارزان قیمت، همراه با یک فرآیند سنتز ساده، دو مانع رایج برای کاربرد صنعتی را به حداقل می رساند: هزینه و سرعت.

Pauzauskie گفت: «در کاربردهای صنعتی، زمان پول است. ما می توانیم مواد اولیه این الکترودها را در چند ساعت بسازیم تا هفته ها. و این می تواند به طور قابل توجهی هزینه سنتز برای ساخت الکترودهای ابرخازن با کارایی بالا را کاهش دهد.

الکترودهای ابرخازن موثر از مواد غنی از کربن که سطح بالایی نیز دارند، سنتز می شوند. نیاز اخیر به دلیل روش منحصر به فرد ابرخازن ها برای ذخیره بار الکتریکی بسیار مهم است. در حالی که یک باتری معمولی بارهای الکتریکی را از طریق واکنش های شیمیایی رخ می دهد در خود ذخیره می کند، یک ابرخازن در عوض بارهای مثبت و منفی را مستقیماً روی سطح خود ذخیره و جدا می کند.

متیو لیم، یکی از نویسندگان این مقاله، دانشجوی دکترای UW در دپارتمان علوم و مهندسی مواد، گفت: ابرخازن‌ها می‌توانند بسیار سریع‌تر از باتری‌ها عمل کنند، زیرا آنها توسط سرعت واکنش یا محصولات جانبی که می‌توانند تشکیل شوند محدود نمی‌شوند. ابرخازن‌ها می‌توانند خیلی سریع شارژ و دشارژ شوند، به همین دلیل است که در ارائه این پالس‌های قدرت عالی هستند.

متیو کرین، یکی از نویسندگان ارشد، دانشجوی دکترا در دپارتمان مهندسی شیمی UW، گفت: «آنها در تنظیماتی که باتری به تنهایی بسیار کند است، کاربردهای بسیار خوبی دارند. "در لحظاتی که باتری برای برآوردن نیازهای انرژی بسیار کند است، یک ابرخازن با سطح بالای الکترود می‌تواند به سرعت وارد شود و کمبود انرژی را جبران کند."

برای بدست آوردن سطح بالایی برای الکترود کارآمد، این تیم از آئروژل ها استفاده کردند. اینها مواد مرطوب و ژل مانندی هستند که برای جایگزینی اجزای مایع خود با هوا یا گاز دیگری تحت یک عملیات خشک کردن و حرارت دادن قرار گرفته اند. این روش‌ها ساختار سه بعدی ژل را حفظ می‌کنند و به آن سطح بالایی و چگالی بسیار کم می‌دهند. این مانند حذف تمام آب از Jell-O بدون کوچک شدن است.

پائوزاوسکی می گوید: «یک گرم آئروژل تقریباً به اندازه یک زمین فوتبال است.

کرین آئروژل ها را از یک پلیمر ژل مانند، ماده ای با واحدهای ساختاری تکرارشونده، ساخته شده از فرمالدئید و سایر مولکول های مبتنی بر کربن ساخته است. این تضمین می کرد که دستگاه آنها، مانند الکترودهای ابرخازن امروزی، از مواد غنی از کربن تشکیل شده باشد.

پیش از این، لیم نشان داده بود که افزودن گرافن - که ورقه‌ای از کربن است با ضخامت فقط یک اتم - به ژل، آئروژل حاصل را با خواص ابرخازن آغشته می‌کند. اما، لیم و کرین باید عملکرد آئروژل را بهبود بخشند و فرآیند سنتز را ارزان‌تر و آسان‌تر کنند.

در آزمایش‌های قبلی لیم، افزودن گرافن ظرفیت آئروژل را بهبود نداده بود. بنابراین آنها در عوض آئروژل ها را با ورقه های نازکی از دی سولفید مولیبدن یا دی سولفید تنگستن بارگذاری کردند. هر دو ماده شیمیایی امروزه به طور گسترده در روان کننده های صنعتی استفاده می شوند.

محققان هر دو ماده را با امواج صوتی با فرکانس بالا درمان کردند تا آنها را به ورقه های نازک تبدیل کنند و آنها را در ماتریس ژل غنی از کربن قرار دهند. آنها می توانند یک ژل مرطوب با بارگذاری کامل را در کمتر از دو ساعت سنتز کنند، در حالی که روش های دیگر چندین روز طول می کشد.

پس از به دست آوردن آئروژل خشک شده با چگالی کم، آن را با چسب ها و مواد غنی از کربن دیگر ترکیب کردند تا یک خمیر صنعتی ایجاد کنند، که لیم به سادگی می تواند آن را به ورقه هایی با ضخامت چند هزارم اینچ بپیچد. آن‌ها دیسک‌های نیم اینچی را از خمیر برش دادند و آن‌ها را در محفظه‌های باتری سکه‌ای ساده مونتاژ کردند تا کارایی این ماده را به عنوان الکترود ابرخازن آزمایش کنند.

نه تنها الکترودهای آنها سریع، ساده و آسان برای سنتز بودند، بلکه ظرفیت خازنی آنها حداقل 127 درصد بیشتر از آئروژل غنی از کربن به تنهایی بود.

لیم و کرین انتظار دارند که آئروژل‌هایی که حتی با ورقه‌های نازک‌تر از دی سولفید مولیبدن یا دی سولفید تنگستن بارگیری می‌شوند - ضخامت آنها حدود 10 تا 100 اتم است - حتی عملکرد بهتری از خود نشان دهند. اما ابتدا، آنها می‌خواستند نشان دهند که آئروژل‌های بارگذاری شده سریع‌تر و ارزان‌تر سنتز می‌شوند، که گامی ضروری برای تولید صنعتی است. تنظیم دقیق در مرحله بعدی قرار می گیرد.

این تیم معتقد است که این تلاش ها می تواند به پیشرفت علم حتی در خارج از حوزه الکترودهای ابرخازن کمک کند. دی سولفید مولیبدن معلق با آئروژل ممکن است به اندازه کافی پایدار بماند تا تولید هیدروژن را کاتالیز کند. و روش آنها برای به دام انداختن سریع مواد در آئروژل ها می تواند برای باتری های با ظرفیت بالا یا کاتالیزور استفاده شود.