Tha supercapacitors nan seòrsa inneal ainmichte a dh’ fhaodas lùth a stòradh agus a lìbhrigeadh nas luaithe na bataraidhean àbhaisteach. Tha iarrtas mòr orra airson tagraidhean a’ toirt a-steach càraichean dealain, tele-chonaltradh gun uèir agus leusair le cumhachd àrd.

Ach gus na tagraidhean sin a thoirt gu buil, feumaidh supercapacitors electrodes nas fheàrr, a cheanglas an supercapacitor ris na h-innealan a tha an urra ris an lùth aca. Feumaidh na dealanan sin a bhith an dà chuid nas luaithe agus nas saoire airson an dèanamh air sgèile mhòr agus cuideachd comasach air an luchd dealain aca a ghearradh agus a leigeil ma sgaoil nas luaithe. Tha sgioba de innleadairean aig Oilthigh Washington den bheachd gu bheil iad air pròiseas a chruthachadh airson stuthan electrode supercapacitor a dhèanamh a choinnicheas ris na h-iarrtasan teann gnìomhachais is cleachdaidh sin.

Dh'fhoillsich an luchd-rannsachaidh, air a stiùireadh le àrd-ollamh cuideachaidh saidheans stuthan agus innleadaireachd UW Peter Pauzauskie, pàipear air 17 Iuchar anns an iris Nature Microsystems agus Nanoengineering a ’toirt cunntas air an electrode supercapacitor aca agus an dòigh luath, saor a rinn iad e. Bidh an dòigh ùr aca a’ tòiseachadh le stuthan làn gualain a chaidh a thiormachadh ann am matrix dùmhlachd ìosal ris an canar aerogel. Faodaidh an t-inneal-adhair seo leis fhèin a bhith na electrode amh, ach dhùblaich sgioba Pauzauskie barrachd air a chomas, is e sin an comas cosgais dealain a stòradh.

Bidh na stuthan tòiseachaidh saor sin, còmhla ri pròiseas sìmplidh sìmplidh, a’ lughdachadh dà bhacadh cumanta air cleachdadh gnìomhachais: cosgais agus astar.

“Ann an tagraidhean gnìomhachais, is e airgead a th’ ann an ùine, ”thuirt Pauzauskie. “Is urrainn dhuinn na stuthan tòiseachaidh airson na dealanan sin a dhèanamh ann an uairean, seach seachdainean. Agus faodaidh sin lùghdachadh mòr a thoirt air a’ chosgais synthesis airson a bhith a’ dèanamh electrodan supercapacitor àrd-choileanadh. ”

Tha electrodan supercapacitor èifeachdach air an co-chur bho stuthan làn gualain aig a bheil farsaingeachd uachdar àrd cuideachd. Tha an riatanas mu dheireadh deatamach air sgàth an dòigh shònraichte a bhios supercapacitors a’ stòradh cosgais dealain. Fhad ‘s a bhios bataraidh àbhaisteach a’ stòradh chosgaisean dealain tro na h-ath-bheachdan ceimigeach a tha a ’tachairt na bhroinn, bidh supercapacitor an àite sin a’ stòradh agus a ’sgaradh chosgaisean adhartach is àicheil gu dìreach air an uachdar aige.

“Faodaidh supercapacitors a bhith ag obair fada nas luaithe na bataraidhean leis nach eil iad air an cuingealachadh le astar an ath-bhualadh no na fo-thoraidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann, ”thuirt an co-ùghdar Matthew Lim, oileanach dotaireil UW ann an Roinn Saidheans Stuthan & Innleadaireachd. “Faodaidh supercapacitors cosgais agus leigeil ma sgaoil gu math luath, agus is e sin as coireach gu bheil iad math air na‘ buillean cumhachd ’sin a lìbhrigeadh.”

“Tha tagraidhean math aca ann an suidheachaidhean far a bheil bataraidh leis fhèin ro shlaodach,” thuirt an co-phrìomh ùghdar Matthew Crane, oileanach dotaireil ann an Roinn Innleadaireachd Cheimigeach UW. “Anns na h-amannan far a bheil bataraidh ro shlaodach gus coinneachadh ri iarrtasan lùtha, dh’ fhaodadh supercapacitor le electrode uachdar àrd ‘breabadh’ a-steach gu sgiobalta agus dèanamh suas airson an easbhaidh lùtha. ”

Gus an raon uachdar àrd fhaighinn airson dealan èifeachdach, chleachd an sgioba aerogels. Tha iad sin nan stuthan fliuch, coltach ri gel, a chaidh tro làimhseachadh sònraichte airson tiormachadh agus teasachadh gus èadhar no gas eile a chuir an àite na pàirtean liùlach aca. Bidh na modhan sin a ’gleidheadh ​​​​structar 3-D an gel, a’ toirt farsaingeachd uachdar àrd dha agus dùmhlachd gu math ìosal. Tha e coltach ri bhith a 'toirt air falbh an t-uisge gu lèir a-mach à Jell-O gun a bhith a' crìonadh.

“Tha timcheall air uimhir de raon uachdar ri aon raon ball-coise ann an aon ghram de airgel,” thuirt Pauzauskie.

Rinn crann aerogels bho polymer coltach ri gel, stuth le aonadan structarail ath-aithris, air a chruthachadh bho formaldehyde agus moileciuilean eile stèidhichte air carbon. Rinn seo cinnteach gum biodh an inneal aca, mar electrodes supercapacitor an latha an-diugh, air a dhèanamh suas de stuthan làn gualain.

Roimhe sin, sheall Lim gun robh a bhith a’ cur graphene - a tha na dhuilleag de ghualain dìreach aon atom tiugh - ris an gel a’ toirt buaidh air an airgel a thàinig às le feartan supercapacitor. Ach, dh'fheumadh Lim and Crane coileanadh an aerogel a leasachadh, agus am pròiseas synthesis a dhèanamh nas saoire agus nas fhasa.

Anns na deuchainnean a rinn Lim roimhe, cha robh cuir graphene air leasachadh a dhèanamh air comas an aerogel. An àite sin bhiodh iad a’ luchdachadh aerogels le duilleagan tana de disulfide molybdenum no disulfide tungsten. Tha an dà cheimigeach air an cleachdadh gu farsaing an-diugh ann an leann gnìomhachais.

Dhèilig an luchd-rannsachaidh ris an dà stuth le tonnan fuaim àrd-tricead gus am briseadh suas ann an siotaichean tana agus an toirt a-steach don mhaitrix gel làn gualain. B ’urrainn dhaibh gel fliuch làn-luchdaichte a cho-chur ann an nas lugha na dà uair a thìde, agus bheireadh dòighean eile grunn làithean.

Às deidh dhaibh an aerogel tiormaichte, dùmhlachd ìosal fhaighinn, chuir iad còmhla e le adhesives agus stuth eile a bha beairteach gualain gus “taois” gnìomhachais a chruthachadh a dh ’fhaodadh Lim a chuir a-mach gu siotaichean dìreach beagan mhìltean de òirleach de thighead. Gheàrr iad diosgan leth-òirleach bhon taois agus chruinnich iad iad ann an còmhdach bataraidh cealla coin sìmplidh gus deuchainn a dhèanamh air èifeachdas an stuth mar electrode supercapacitor.

Chan e a-mhàin gu robh na dealanan aca luath, sìmplidh agus furasta an co-chur, ach bha iad cuideachd a ’spòrs comas co-dhiù 127 sa cheud nas motha na an airgel làn gualain a-mhàin.

Tha Lim and Crane an dùil gum biodh aerogels làn de dhuilleagan eadhon nas taine de disulfide molybdenum no disulfide tungstain - bha an cuid aca timcheall air 10 gu 100 dadam ann an tiugh - a’ nochdadh coileanadh eadhon nas fheàrr. Ach an toiseach, bha iad airson sealltainn gum biodh aerogels luchdaichte nas luaithe agus nas saoire a bhith air an co-chur, ceum riatanach airson cinneasachadh gnìomhachais. Thig an gleusadh an ath rud.

Tha an sgioba den bheachd gun cuidich na h-oidhirpean sin saidheans adhartachadh eadhon taobh a-muigh raon electrodes supercapacitor. Dh’ fhaodadh an disulfide molybdenum aca a tha crochte air aerogel fuireach seasmhach gu leòr gus cinneasachadh hydrogen a bhrosnachadh. Agus dh’ fhaodadh an dòigh aca air stuthan a ghlacadh gu sgiobalta ann an aerogels a bhith air a chuir an sàs ann am bataraidhean comas àrd no catalysis.