Supercapacitors binne in passend neamd type apparaat dat enerzjy rapper kin opslaan en leverje dan konvinsjonele batterijen. Se binne yn hege fraach nei applikaasjes ynklusyf elektryske auto's, draadloze telekommunikaasje en lasers mei hege krêft.

Mar om dizze applikaasjes te realisearjen, hawwe supercapacitors bettere elektroden nedich, dy't de supercapacitor ferbine mei de apparaten dy't ôfhinklik binne fan har enerzjy. Dizze elektroden moatte sawol flugger as goedkeaper wêze om op grutte skaal te meitsjen en ek yn steat om har elektryske lading rapper op te laden en te ûntladen. In team fan yngenieurs oan 'e Universiteit fan Washington tinkt dat se in proses hawwe betocht foar it produsearjen fan supercapacitor-elektrodematerialen dy't sille foldwaan oan dizze strange yndustriële en gebrûkseasken.

De ûndersikers, ûnder lieding fan UW assistint heechlearaar materiaalwittenskip en yngenieur Peter Pauzauskie, publisearren op 17 july in papier yn it tydskrift Nature Microsystems and Nanoengineering dy't har supercapacitor-elektrode beskriuwe en de rappe, goedkeape manier wêrop se it makken. Harren nije metoade begjint mei koalstof-rike materialen dy't binne droege yn in lege tichtheid matrix neamd in aerogel. Dizze aerogel kin op himsels fungearje as in rûge elektrode, mar it team fan Pauzauskie hat syn kapasiteit mear as ferdûbele, dat is syn fermogen om elektryske lading op te slaan.

Dizze goedkeape útgongsmaterialen, keppele oan in streamlined syntezeproses, minimalisearje twa mienskiplike barriêres foar yndustriële tapassing: kosten en snelheid.

"Yn yndustriële tapassingen is tiid jild," sei Pauzauskie. "Wy kinne de útgongsmaterialen foar dizze elektroden yn oeren meitsje, ynstee fan wiken. En dat kin de syntezekosten signifikant ferminderje foar it meitsjen fan supercapacitor-elektroden mei hege prestaasjes.

Effektive supercapacitor elektroden wurde synthesized út koalstof-rike materialen dy't ek hawwe in hege oerflak. Dy lêste eask is kritysk fanwegen de unike manier supercapacitors opslaan elektryske lading. Wylst in konvinsjonele batterij elektryske ladingen opslacht fia de gemyske reaksjes dy't deryn foarkomme, bewarret en skiedt in superkondensator ynstee positive en negative ladingen direkt op har oerflak.

"Supercapacitors kinne folle rapper hannelje as batterijen, om't se net beheind binne troch de snelheid fan 'e reaksje of byprodukten dy't kinne foarmje," sei co-lead auteur Matthew Lim, in UW-doktoraal studint yn 'e ôfdieling Materials Science & Engineering. "Supercapacitors kinne heul fluch oplade en ûntlade, dat is de reden dat se geweldich binne yn it leverjen fan dizze 'pulsen' fan krêft."

"Se hawwe geweldige tapassingen yn ynstellingen wêr't in batterij op himsels te stadich is," sei kollega haadauteur Matthew Crane, in doktoraal studint yn 'e UW Department of Chemical Engineering. "Yn mominten wêr't in batterij te stadich is om oan enerzjyeasken te foldwaan, koe in superkondensator mei in elektrodes mei in hege oerflakgebiet fluch 'trappe' yn en it enerzjytekoart goedmeitsje."

Om it hege oerflak foar in effisjinte elektrode te krijen, brûkte it team aerogels. Dit binne wiete, gel-achtige stoffen dy't in spesjale behanneling fan drogen en ferwaarming hawwe gien om har floeibere komponinten te ferfangen troch lucht of in oar gas. Dizze metoaden behâlde de 3D-struktuer fan 'e gel, wêrtroch't it in heech oerflak en ekstreem lege tichtheid jout. It is as it fuortheljen fan al it wetter út Jell-O sûnder krimp.

"Ien gram aerogel befettet sawat safolle oerflak as ien fuotbalfjild," sei Pauzauskie.

Crane makke aerogels fan in gel-like polymeer, in materiaal mei werhelle strukturele ienheden, makke fan formaldehyd en oare koalstof-basearre molekulen. Dit soarge derfoar dat harren apparaat, lykas de hjoeddeiske supercapacitor elektroden, soe bestean út koalstof-rike materialen.

Earder hat Lim oantoand dat it tafoegjen fan grafeen - dat is in blêd fan koalstof mar ien atoom dik - oan 'e gel de resultearjende aerogel mei supercapacitor-eigenskippen beynfloede. Mar, Lim en Crane moasten de prestaasjes fan 'e aerogel ferbetterje, en it syntezeproses goedkeaper en makliker meitsje.

Yn Lim's eardere eksperiminten hie it tafoegjen fan grafeen de kapasiteit fan 'e aerogel net ferbettere. Sa laden se ynstee aerogels mei tinne platen fan molybdenumdisulfide of wolfraamdisulfide. Beide gemikaliën wurde hjoed in soad brûkt yn yndustriële smeermiddelen.

De ûndersikers behannelen beide materialen mei hege frekwinsje lûdswellen om se op te brekken yn tinne lekkens en opnommen se yn 'e koalstofrike gelmatrix. Se koenen in folslein laden wiete gel yn minder dan twa oeren synthesisearje, wylst oare metoaden in protte dagen duorje.

Nei it krijen fan de droege aerogel mei lege tichtheid, kombinearren se it mei kleefstoffen en in oar koalstofryk materiaal om in yndustrieel "daai" te meitsjen, dat Lim gewoan koe útrôlje ta lekkens fan mar in pear tûzenste fan in inch dik. Se snijden heale-inch skiven út it daai en gearstald se yn ienfâldige munt sel batterij casings te testen it materiaal syn effektiviteit as in supercapacitor elektrodes.

Net allinich wiene har elektroden fluch, ienfâldich en maklik te synthesisearjen, mar se hienen ek in kapasiteit fan op syn minst 127 prosint grutter dan de koalstofrike aerogel allinich.

Lim en Crane ferwachtsje dat aerogels laden mei noch tinner platen fan molybdenumdisulfide of wolfraamdisulfide - harren wiene sa'n 10 oant 100 atomen dik - in noch bettere prestaasje soene sjen litte. Mar earst woene se sjen litte dat laden aerogels rapper en goedkeaper wêze soene om te synthesearjen, in needsaaklike stap foar yndustriële produksje. De fine-tuning komt neist.

It team is fan betinken dat dizze ynspanningen kinne helpe de wittenskip foarút te gean, sels bûten it ryk fan supercapacitor-elektroden. Harren aerogel-suspended molybdenumdisulfide kin genôch stabyl bliuwe om wetterstofproduksje te katalysearjen. En har metoade om materialen fluch yn aerogels te fangen koe wurde tapast op batterijen mei hege kapasitânsje as katalyse.