सुपरकैपेसिटर एक उपयुक्त प्रकार का उपकरण है जो पारंपरिक बैटरियों की तुलना में तेजी से ऊर्जा संग्रहीत और वितरित कर सकता है। वे इलेक्ट्रिक कारों, वायरलेस दूरसंचार और उच्च शक्ति वाले लेजर सहित अनुप्रयोगों के लिए उच्च मांग में हैं।

लेकिन इन अनुप्रयोगों को साकार करने के लिए, सुपरकैपेसिटर को बेहतर इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है, जो सुपरकैपेसिटर को उन उपकरणों से जोड़ते हैं जो उनकी ऊर्जा पर निर्भर होते हैं। इन इलेक्ट्रोडों को बड़े पैमाने पर बनाने के लिए तेज और सस्ता दोनों होना चाहिए और साथ ही वे अपने विद्युत भार को तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज करने में सक्षम होने चाहिए। वाशिंगटन विश्वविद्यालय के इंजीनियरों की एक टीम का मानना ​​है कि वे सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड सामग्री के निर्माण के लिए एक प्रक्रिया लेकर आए हैं जो इन कठोर औद्योगिक और उपयोग की मांगों को पूरा करेगी।

यूडब्ल्यू सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर पीटर पॉज़ॉस्की के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने 17 जुलाई को नेचर माइक्रोसिस्टम्स और नैनोइंजीनियरिंग पत्रिका में एक पेपर प्रकाशित किया जिसमें उनके सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड और इसे बनाने के तेज़, सस्ते तरीके का वर्णन किया गया। उनकी नई विधि कार्बन-समृद्ध सामग्रियों से शुरू होती है जिन्हें एयरजेल नामक कम घनत्व वाले मैट्रिक्स में सुखाया जाता है। यह एयरजेल अपने आप में एक क्रूड इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य कर सकता है, लेकिन पॉज़ौस्की की टीम ने इसकी कैपेसिटेंस, जो कि इलेक्ट्रिक चार्ज को स्टोर करने की क्षमता है, को दोगुना से अधिक कर दिया है।

ये सस्ती शुरुआती सामग्रियां, एक सुव्यवस्थित संश्लेषण प्रक्रिया के साथ मिलकर, औद्योगिक अनुप्रयोग में दो सामान्य बाधाओं को कम करती हैं: लागत और गति।

पॉज़ौस्की ने कहा, "औद्योगिक अनुप्रयोगों में, समय ही पैसा है।" “हम इन इलेक्ट्रोडों के लिए शुरुआती सामग्री हफ्तों के बजाय घंटों में बना सकते हैं। और यह उच्च प्रदर्शन वाले सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड बनाने के लिए संश्लेषण लागत को काफी कम कर सकता है।

प्रभावी सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड को कार्बन-समृद्ध सामग्रियों से संश्लेषित किया जाता है जिनका सतह क्षेत्र भी अधिक होता है। सुपरकैपेसिटर द्वारा विद्युत चार्ज को संग्रहीत करने के अनूठे तरीके के कारण बाद की आवश्यकता महत्वपूर्ण है। जबकि एक पारंपरिक बैटरी अपने भीतर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत आवेशों को संग्रहीत करती है, एक सुपरकैपेसिटर इसके बजाय सीधे अपनी सतह पर सकारात्मक और नकारात्मक आवेशों को संग्रहीत और अलग करता है।

सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग में यूडब्ल्यू डॉक्टरेट छात्र, सह-प्रमुख लेखक मैथ्यू लिम ने कहा, "सुपरकैपेसिटर बैटरी की तुलना में बहुत तेजी से कार्य कर सकते हैं क्योंकि वे प्रतिक्रिया की गति या बनने वाले उपोत्पादों तक सीमित नहीं हैं।" "सुपरकैपेसिटर बहुत तेज़ी से चार्ज और डिस्चार्ज कर सकते हैं, यही कारण है कि वे बिजली के इन 'पल्स' को वितरित करने में महान हैं।"

यूडब्ल्यू डिपार्टमेंट ऑफ केमिकल इंजीनियरिंग में डॉक्टरेट छात्र और साथी मुख्य लेखक मैथ्यू क्रेन ने कहा, "उन सेटिंग्स में उनके पास बेहतरीन अनुप्रयोग हैं जहां बैटरी स्वयं बहुत धीमी है।" "ऐसे क्षणों में जहां बैटरी ऊर्जा मांगों को पूरा करने के लिए बहुत धीमी है, उच्च सतह क्षेत्र इलेक्ट्रोड वाला एक सुपरकैपेसिटर जल्दी से 'किक' कर सकता है और ऊर्जा की कमी को पूरा कर सकता है।"

एक कुशल इलेक्ट्रोड के लिए उच्च सतह क्षेत्र प्राप्त करने के लिए, टीम ने एरोजेल का उपयोग किया। ये गीले, जेल जैसे पदार्थ हैं जो अपने तरल घटकों को हवा या अन्य गैस से बदलने के लिए सुखाने और गर्म करने के विशेष उपचार से गुज़रे हैं। ये विधियां जेल की 3-डी संरचना को संरक्षित करती हैं, जिससे इसे उच्च सतह क्षेत्र और बेहद कम घनत्व मिलता है। यह बिना सिकुड़न के जेल-ओ से सारा पानी निकालने जैसा है।

पॉज़ौस्की ने कहा, "एक ग्राम एयरजेल में एक फुटबॉल मैदान जितना सतह क्षेत्र होता है।"

क्रेन ने जेल जैसे पॉलिमर से एरोजेल बनाया, एक ऐसी सामग्री जिसमें दोहराई जाने वाली संरचनात्मक इकाइयाँ होती हैं, जो फॉर्मेल्डिहाइड और अन्य कार्बन-आधारित अणुओं से बनाई जाती हैं। इससे यह सुनिश्चित हो गया कि उनका उपकरण, आज के सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड की तरह, कार्बन-समृद्ध सामग्रियों से बना होगा।

इससे पहले, लिम ने प्रदर्शित किया था कि जेल में ग्राफीन - जो कि केवल एक परमाणु मोटी कार्बन की एक शीट है - जोड़ने से परिणामी एयरजेल को सुपरकैपेसिटर गुणों से भर दिया जाता है। लेकिन, लिम और क्रेन को एयरजेल के प्रदर्शन में सुधार करने और संश्लेषण प्रक्रिया को सस्ता और आसान बनाने की आवश्यकता थी।

लिम के पिछले प्रयोगों में, ग्राफीन जोड़ने से एयरजेल की धारिता में सुधार नहीं हुआ था। इसलिए उन्होंने इसके बजाय मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड या टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड की पतली शीट के साथ एरोजेल लोड किया। दोनों रसायनों का आज औद्योगिक स्नेहक में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

शोधकर्ताओं ने दोनों सामग्रियों को उच्च-आवृत्ति ध्वनि तरंगों के साथ इलाज करके उन्हें पतली शीट में तोड़ दिया और उन्हें कार्बन-समृद्ध जेल मैट्रिक्स में शामिल कर दिया। वे दो घंटे से भी कम समय में पूरी तरह से भरे हुए गीले जेल को संश्लेषित कर सकते हैं, जबकि अन्य तरीकों में कई दिन लगेंगे।

सूखे, कम घनत्व वाले एरोजेल को प्राप्त करने के बाद, उन्होंने इसे चिपकने वाले पदार्थों और अन्य कार्बन युक्त सामग्री के साथ मिलाकर एक औद्योगिक "आटा" बनाया, जिसे लिम आसानी से एक इंच के कुछ हजारवें हिस्से की मोटाई वाली शीट में रोल कर सकता था। उन्होंने सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड के रूप में सामग्री की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए आटे से आधा इंच की डिस्क काट ली और उन्हें सरल सिक्का सेल बैटरी आवरण में इकट्ठा किया।

उनके इलेक्ट्रोड न केवल तेज़, सरल और संश्लेषित करने में आसान थे, बल्कि उनमें अकेले कार्बन-समृद्ध एयरगेल की तुलना में कम से कम 127 प्रतिशत अधिक क्षमता थी।

लिम और क्रेन को उम्मीद है कि मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड या टंगस्टन डाइसल्फ़ाइड की और भी पतली शीटों से भरे एरोजेल - जिनकी मोटाई लगभग 10 से 100 परमाणु थी - और भी बेहतर प्रदर्शन दिखाएंगे। लेकिन सबसे पहले, वे यह दिखाना चाहते थे कि लोडेड एयरोगेल को संश्लेषित करना तेज़ और सस्ता होगा, जो औद्योगिक उत्पादन के लिए एक आवश्यक कदम है। इसके बाद फाइन-ट्यूनिंग आती है।

टीम का मानना ​​है कि ये प्रयास सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड के दायरे से बाहर भी विज्ञान को आगे बढ़ाने में मदद कर सकते हैं। उनका एयरजेल-निलंबित मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड हाइड्रोजन उत्पादन को उत्प्रेरित करने के लिए पर्याप्त रूप से स्थिर रह सकता है। और एयरजेल में सामग्रियों को तेजी से फंसाने की उनकी विधि को उच्च कैपेसिटेंस बैटरी या कैटेलिसिस पर लागू किया जा सकता है।