Os supercondensadores son un tipo de dispositivo con nome axeitado que pode almacenar e entregar enerxía máis rápido que as baterías convencionais. Teñen unha gran demanda de aplicacións, incluíndo coches eléctricos, telecomunicacións sen fíos e láseres de alta potencia.

Pero para realizar estas aplicacións, os supercondensadores precisan de mellores electrodos, que conectan o supercondensador cos dispositivos que dependen da súa enerxía. Estes electrodos deben ser máis rápidos e baratos para fabricar a gran escala e tamén poder cargar e descargar a súa carga eléctrica máis rápido. Un equipo de enxeñeiros da Universidade de Washington pensa que elaboraron un proceso para fabricar materiais de electrodos de supercondensadores que satisfarán estas estritas demandas industriais e de uso.

Os investigadores, dirixidos polo profesor asistente de ciencia e enxeñería de materiais da UW, Peter Pauzauskie, publicaron un artigo o 17 de xullo na revista Nature Microsystems and Nanoengineering no que describe o seu electrodo supercondensador e a forma rápida e barata que o fixeron. O seu novo método comeza con materiais ricos en carbono que foron secados nunha matriz de baixa densidade chamada aeroxel. Este aeroxel por si só pode actuar como un electrodo bruto, pero o equipo de Pauzauskie duplicou a súa capacidade, que é a súa capacidade para almacenar carga eléctrica.

Estes materiais de partida económicos, unidos a un proceso de síntese simplificado, minimizan dúas barreiras comúns para a aplicación industrial: custo e rapidez.

"En aplicacións industriais, o tempo é diñeiro", dixo Pauzauskie. "Podemos fabricar os materiais de partida para estes electrodos en horas, en lugar de semanas. E iso pode reducir significativamente o custo de síntese para fabricar electrodos de supercondensadores de alto rendemento.

Os electrodos de supercondensadores eficaces sintetízanse a partir de materiais ricos en carbono que tamén teñen unha gran superficie. Este último requisito é fundamental debido á única forma en que os supercondensadores almacenan carga eléctrica. Mentres que unha batería convencional almacena cargas eléctricas a través das reaccións químicas que ocorren no seu interior, un supercondensador almacena e separa cargas positivas e negativas directamente na súa superficie.

"Os supercondensadores poden actuar moito máis rápido que as baterías porque non están limitados pola velocidade da reacción ou os subprodutos que se poden formar", dixo o coautor principal Matthew Lim, estudante de doutoramento da UW no Departamento de Ciencia e Enxeñaría de Materiais. "Os supercondensadores poden cargarse e descargarse moi rápido, polo que son excelentes para ofrecer estes "pulsos" de potencia".

"Teñen excelentes aplicacións en escenarios nos que unha batería por si mesma é demasiado lenta", dixo o seu autor principal Matthew Crane, estudante de doutoramento no Departamento de Enxeñaría Química da UW. "Nos momentos nos que unha batería é demasiado lenta para satisfacer as demandas de enerxía, un supercondensador cun electrodo de gran área de superficie podería "encender" rapidamente e compensar o déficit de enerxía".

Para obter a superficie elevada dun electrodo eficiente, o equipo utilizou aeroxeles. Trátase de substancias húmidas, tipo xel, que pasaron por un tratamento especial de secado e quecemento para substituír os seus compoñentes líquidos por aire ou outro gas. Estes métodos preservan a estrutura 3D do xel, dándolle unha gran superficie e unha densidade extremadamente baixa. É como eliminar toda a auga de Jell-O sen que se encolle.

"Un gramo de aeroxel contén aproximadamente tanta superficie como un campo de fútbol", dixo Pauzauskie.

Crane fixo aeroxeles a partir dun polímero tipo xel, un material con unidades estruturais repetidas, creado a partir de formaldehido e outras moléculas a base de carbono. Isto garantiu que o seu dispositivo, como os electrodos de supercondensadores actuais, constaría de materiais ricos en carbono.

Anteriormente, Lim demostrou que engadir grafeno, que é unha lámina de carbono de só un átomo de espesor, ao xel imbuía o aeroxel resultante con propiedades de supercondensador. Pero, Lim e Crane necesitaban mellorar o rendemento do aeroxel e facer que o proceso de síntese sexa máis barato e sinxelo.

Nos experimentos anteriores de Lim, engadir grafeno non mellorara a capacitancia do aeroxel. Entón, en cambio, cargaron aeroxeles con láminas finas de bisulfuro de molibdeno ou disulfuro de wolframio. Ambos produtos químicos úsanse amplamente hoxe en día en lubricantes industriais.

Os investigadores trataron ambos materiais con ondas sonoras de alta frecuencia para dividilos en láminas finas e incorporáronos á matriz de xel rica en carbono. Poderían sintetizar un xel húmido totalmente cargado en menos de dúas horas, mentres que outros métodos levarían moitos días.

Despois de obter o aeroxel seco e de baixa densidade, combinárono con adhesivos e outro material rico en carbono para crear unha "masa" industrial, que Lim podía simplemente estirar en láminas de só unhas milésimas de polgada de espesor. Cortaron discos de media polgada da masa e ensamblaronnos en simples carcasas de pilas de moeda para probar a eficacia do material como electrodo supercondensador.

Non só os seus electrodos eran rápidos, sinxelos e fáciles de sintetizar, senón que tamén presentaban unha capacitancia polo menos un 127 por cento maior que só o aeroxel rico en carbono.

Lim e Crane esperan que os aeroxeles cargados con láminas aínda máis delgadas de disulfuro de molibdeno ou disulfuro de wolframio -as súas tiñan entre 10 e 100 átomos de espesor- mostrarían un rendemento aínda mellor. Pero primeiro, querían demostrar que os aeroxeles cargados serían máis rápidos e baratos de sintetizar, un paso necesario para a produción industrial. A continuación vén a posta a punto.

O equipo cre que estes esforzos poden axudar a avanzar na ciencia mesmo fóra do ámbito dos electrodos de supercondensadores. O seu disulfuro de molibdeno suspendido en aeroxel podería permanecer o suficientemente estable como para catalizar a produción de hidróxeno. E o seu método para atrapar materiais rapidamente en aeroxeles podería aplicarse a baterías de alta capacitancia ou á catálise.