Superkondensaattorit ovat osuvasti nimetty laite, joka voi varastoida ja toimittaa energiaa nopeammin kuin perinteiset akut. Niillä on suuri kysyntä sovelluksissa, mukaan lukien sähköautot, langaton tietoliikenne ja suuritehoiset laserit.

Mutta näiden sovellusten toteuttamiseksi superkondensaattorit tarvitsevat parempia elektrodeja, jotka yhdistävät superkondensaattorin laitteisiin, jotka riippuvat niiden energiasta. Näiden elektrodien on oltava nopeampia ja halvempia valmistaa suuressa mittakaavassa, ja niiden on myös pystyttävä lataamaan ja purkamaan sähkökuormitus nopeammin. Washingtonin yliopiston insinööriryhmä uskoo keksineensä prosessin superkondensaattorielektrodimateriaalien valmistamiseksi, joka täyttää nämä tiukat teollisuuden ja käytön vaatimukset.

UW:n materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori Peter Pauzauskien johtamat tutkijat julkaisivat 17. heinäkuuta Nature Microsystems and Nanoengineering -lehdessä artikkelin, jossa kuvataan heidän superkondensaattorielektrodiaan ja nopeaa ja halpaa tapaa valmistaa se. Heidän uusi menetelmänsä alkaa hiilipitoisista materiaaleista, jotka on kuivattu matalatiheyksiseksi matriisiksi, jota kutsutaan aerogeeliksi. Tämä aerogeeli yksinään voi toimia karkeana elektrodina, mutta Pauzauskien tiimi yli kaksinkertaisti kapasitanssinsa, joka on sen kyky varastoida sähkövarausta.

Nämä edulliset lähtöaineet yhdistettynä virtaviivaiseen synteesiprosessiin minimoivat kaksi yleistä estettä teolliselle sovellukselle: kustannus ja nopeus.

"Teollisissa sovelluksissa aika on rahaa", Pauzauskie sanoi. ”Voimme valmistaa näiden elektrodien lähtöaineet tunneissa viikkojen sijaan. Ja tämä voi merkittävästi alentaa synteesikustannuksia korkean suorituskyvyn superkondensaattorielektrodien valmistuksessa."

Tehokkaat superkondensaattorielektrodit syntetisoidaan hiilipitoisista materiaaleista, joilla on myös suuri pinta-ala. Jälkimmäinen vaatimus on kriittinen, koska superkondensaattorit varastoivat sähkövarauksen ainutlaatuisella tavalla. Kun perinteinen akku varastoi sähkövarauksia siinä tapahtuvien kemiallisten reaktioiden kautta, superkondensaattori sen sijaan varastoi ja erottaa positiiviset ja negatiiviset varaukset suoraan pinnalle.

"Superkondensaattorit voivat toimia paljon nopeammin kuin akut, koska niitä ei rajoita reaktion nopeus tai sivutuotteet, jotka voivat muodostua", sanoi toinen pääkirjailija Matthew Lim, UW:n tohtoriopiskelija materiaalitieteen ja tekniikan laitokselta. "Superkondensaattorit voivat ladata ja purkaa hyvin nopeasti, minkä vuoksi ne ovat erinomaisia ​​näiden tehopulssien välittämisessä."

"Heillä on loistavia sovelluksia olosuhteissa, joissa akku itsessään on liian hidas", sanoi toinen johtava kirjailija Matthew Crane, tohtoriopiskelija UW:n kemiantekniikan osastolta. "Niinä hetkinä, jolloin akku on liian hidas vastaamaan energiantarpeeseen, superkondensaattori, jossa on suuri pinta-alainen elektrodi, voi "potkua" nopeasti sisään ja kompensoida energiavajetta."

Tiimi käytti aerogeelejä saadakseen suuren pinta-alan tehokkaalle elektrodille. Nämä ovat märkiä, geelimäisiä aineita, jotka ovat käyneet läpi erityiskäsittelyn kuivauksen ja lämmityksen korvaamiseksi nestemäisten komponenttiensa ilmalla tai muulla kaasulla. Nämä menetelmät säilyttävät geelin 3-D-rakenteen, mikä antaa sille suuren pinta-alan ja erittäin pienen tiheyden. Se on kuin poistaisi kaiken veden Jell-O:sta ilman kutistamista.

"Yksi gramma aerogeeliä sisältää suunnilleen yhtä paljon pinta-alaa kuin yksi jalkapallokenttä", sanoi Pauzauskie.

Crane valmisti aerogeelejä geelimäisestä polymeeristä, materiaalista, jossa on toistuvia rakenneyksiköitä ja joka on luotu formaldehydistä ja muista hiilipohjaisista molekyyleistä. Tämä varmisti, että heidän laitteensa, kuten nykyiset superkondensaattorielektrodit, koostuisi hiilirikkaista materiaaleista.

Aikaisemmin Lim osoitti, että grafeenin - joka on vain yhden atomin paksuinen hiililevy - lisääminen geeliin imeytti tuloksena olevaan aerogeeliin superkondensaattoriominaisuuksia. Mutta Limin ja Cranen oli parannettava aerogeelin suorituskykyä ja tehtävä synteesiprosessista halvempi ja helpompi.

Limin aikaisemmissa kokeissa grafeenin lisääminen ei ollut parantanut aerogeelin kapasitanssia. Joten he sen sijaan ladasivat aerogeeleihin ohuita molybdeenidisulfidi- tai volframidisulfidilevyjä. Molempia kemikaaleja käytetään nykyään laajasti teollisuusvoiteluaineissa.

Tutkijat käsittelivät molempia materiaaleja korkeataajuisilla ääniaalloilla hajottaakseen ne ohuiksi levyiksi ja sisällyttäen ne hiilipitoiseen geelimatriisiin. He pystyivät syntetisoimaan täyteen ladatun märkägeelin alle kahdessa tunnissa, kun taas muut menetelmät kestäisivät useita päiviä.

Saatuaan kuivatun, matalatiheyksisen aerogeelin he yhdistivät sen liimoihin ja toiseen hiilipitoiseen materiaaliin luodakseen teollisen "taikinan", jonka Lim pystyi yksinkertaisesti kaulimaan vain muutaman tuhannesosan tuuman paksuisiksi levyiksi. He leikkasivat taikinasta puolen tuuman levyjä ja kokosivat ne yksinkertaisiin nappipariston koteloihin testatakseen materiaalin tehokkuutta superkondensaattorielektrodina.

Sen lisäksi, että niiden elektrodit olivat nopeita, yksinkertaisia ​​ja helppoja syntetisoida, niiden kapasitanssi oli vähintään 127 prosenttia suurempi kuin pelkällä hiilipitoisella aerogeelillä.

Lim ja Crane odottavat, että aerogeelit, jotka on ladattu vielä ohuemmilla molybdeenidisulfidi- tai volframidisulfidilevyillä – niiden paksuus oli noin 10–100 atomia – näyttäisi vielä paremman suorituskyvyn. Mutta ensin he halusivat näyttää, että ladatut aerogeelit olisivat nopeampia ja halvempia syntetisoida, mikä on välttämätön askel teollisessa tuotannossa. Seuraavaksi tulee hienosäätö.

Ryhmä uskoo, että nämä toimet voivat auttaa edistämään tiedettä jopa superkondensaattorielektrodien ulkopuolella. Niiden aerogeelillä suspendoitu molybdeenidisulfidi saattaa pysyä riittävän stabiilina katalysoimaan vedyn tuotantoa. Ja niiden menetelmää materiaalien vangitsemiseksi nopeasti aerogeeleihin voitaisiin soveltaa suurikapasiteettisiin akkuihin tai katalyyseihin.