Superkondenzatori su prikladno nazvan tip uređaja koji može pohraniti i isporučiti energiju brže od konvencionalnih baterija. Imaju veliku potražnju za aplikacijama uključujući električne automobile, bežične telekomunikacije i lasere velike snage.

Ali za realizaciju ovih primjena, superkondenzatori trebaju bolje elektrode, koje povezuju superkondenzator s uređajima koji ovise o njihovoj energiji. Ove elektrode moraju biti i brže i jeftinije za izradu u velikim razmjerima, a također moraju brže puniti i prazniti svoje električno opterećenje. Tim inženjera sa Sveučilišta u Washingtonu smatra da je smislio proces za proizvodnju materijala za elektrode superkondenzatora koji će zadovoljiti ove stroge industrijske i uporabne zahtjeve.

Istraživači, predvođeni asistentom profesora znanosti o materijalima i inženjeringa Petera Pauzauskiea, objavili su rad 17. srpnja u časopisu Nature Microsystems and Nanoengineering u kojem opisuju svoju elektrodu superkondenzatora i brz, jeftin način na koji su je napravili. Njihova nova metoda počinje s materijalima bogatim ugljikom koji su osušeni u matricu niske gustoće koja se naziva aerogel. Ovaj aerogel sam po sebi može djelovati kao gruba elektroda, ali Pauzauskiejev tim više je nego udvostručio njegov kapacitet, što je njegova sposobnost pohranjivanja električnog naboja.

Ovi jeftini početni materijali, zajedno s pojednostavljenim procesom sinteze, smanjuju dvije uobičajene prepreke industrijskoj primjeni: trošak i brzinu.

"U industrijskim primjenama vrijeme je novac", rekao je Pauzauskie. “Možemo napraviti početni materijal za ove elektrode za nekoliko sati, a ne za nekoliko tjedana. A to može značajno smanjiti trošak sinteze za izradu elektroda superkondenzatora visokih performansi.”

Učinkovite elektrode superkondenzatora sintetizirane su od materijala bogatih ugljikom koji također imaju veliku površinu. Potonji zahtjev je kritičan zbog jedinstvenog načina na koji superkondenzatori pohranjuju električni naboj. Dok konvencionalna baterija pohranjuje električne naboje putem kemijskih reakcija koje se odvijaju unutar nje, superkondenzator umjesto toga pohranjuje i odvaja pozitivne i negativne naboje izravno na svojoj površini.

"Superkondenzatori mogu djelovati puno brže od baterija jer nisu ograničeni brzinom reakcije ili nusproduktima koji mogu nastati", rekao je jedan od glavnih autora Matthew Lim, doktorand na Sveučilištu WW na Odsjeku za znanost i inženjerstvo materijala. "Superkondenzatori se mogu puniti i prazniti vrlo brzo, zbog čega su izvrsni u isporuci ovih 'impulsa' snage."

"Imaju izvrsnu primjenu u postavkama gdje je baterija sama po sebi prespora", rekao je kolega glavni autor Matthew Crane, doktorand na Odsjeku za kemijsko inženjerstvo Sveučilišta u Sveučilištu. "U trenucima kada je baterija prespora da zadovolji zahtjeve za energijom, superkondenzator s elektrodom velike površine mogao bi brzo 'proraditi' i nadoknaditi manjak energije."

Kako bi dobili veliku površinu za učinkovitu elektrodu, tim je koristio aerogelove. To su mokre, gelaste tvari koje su prošle poseban tretman sušenja i zagrijavanja kako bi se njihove tekuće komponente zamijenile zrakom ili drugim plinom. Ove metode čuvaju 3-D strukturu gela, dajući mu veliku površinu i izuzetno nisku gustoću. To je kao da uklonite svu vodu iz Jell-O bez skupljanja.

“Jedan gram aerogela ima otprilike onoliko površine koliko i jedno nogometno igralište,” rekao je Pauzauskie.

Crane je napravio aerogelove od polimera nalik gelu, materijala s ponavljajućim strukturnim jedinicama, stvorenog od formaldehida i drugih molekula na bazi ugljika. To je osiguralo da će se njihov uređaj, poput današnjih elektroda superkondenzatora, sastojati od materijala bogatih ugljikom.

Prethodno je Lim pokazao da dodavanje grafena - koji je sloj ugljika debljine samo jednog atoma - u gel prožima rezultirajući aerogel svojstvima superkondenzatora. No, Lim i Crane morali su poboljšati performanse aerogela i učiniti proces sinteze jeftinijim i lakšim.

U prethodnim Limovim eksperimentima, dodavanje grafena nije poboljšalo kapacitet aerogela. Stoga su umjesto toga napunili aerogelove tankim slojevima ili molibden disulfida ili volfram disulfida. Obje se kemikalije danas naširoko koriste u industrijskim mazivima.

Istraživači su obradili oba materijala visokofrekventnim zvučnim valovima kako bi ih razbili u tanke listove i ugradili ih u matricu gela bogatu ugljikom. Mogli bi sintetizirati potpuno napunjen mokri gel za manje od dva sata, dok bi drugim metodama bilo potrebno mnogo dana.

Nakon što su dobili osušeni aerogel niske gustoće, kombinirali su ga s ljepilima i drugim materijalom bogatim ugljikom kako bi stvorili industrijsko "tijesto", koje je Lim mogao jednostavno razvaljati u listove debljine samo nekoliko tisućinki inča. Od tijesta su izrezali diskove od pola inča i sastavili ih u jednostavna kućišta baterija na novčić kako bi testirali učinkovitost materijala kao elektrode superkondenzatora.

Ne samo da su njihove elektrode bile brze, jednostavne i lake za sintetiziranje, već su imale i kapacitet barem 127 posto veći od samog aerogela bogatog ugljikom.

Lim i Crane očekuju da će aerogelovi napunjeni još tanjim listovima molibden disulfida ili volfram disulfida - njihovi su bili debeli oko 10 do 100 atoma - pokazati još bolje performanse. Ali prvo su željeli pokazati da bi napunjene aerogelove bilo brže i jeftinije sintetizirati, što je neophodan korak za industrijsku proizvodnju. Sljedeće je fino podešavanje.

Tim vjeruje da ti napori mogu pomoći u napretku znanosti čak i izvan područja elektroda superkondenzatora. Njihov molibden disulfid suspendiran u aerogelu mogao bi ostati dovoljno stabilan da katalizira proizvodnju vodika. Njihova metoda za brzo hvatanje materijala u aerogelove mogla bi se primijeniti na baterije visokog kapaciteta ili katalizu.