A szuperkondenzátorok egy találó elnevezésű eszköztípus, amely gyorsabban képes energiát tárolni és leadni, mint a hagyományos akkumulátorok. Nagy igény van rájuk olyan alkalmazásokban, mint az elektromos autók, a vezeték nélküli távközlés és a nagy teljesítményű lézerek.

De ezeknek az alkalmazásoknak a megvalósításához a szuperkondenzátoroknak jobb elektródákra van szükségük, amelyek összekötik a szuperkondenzátort az energiájuktól függő eszközökkel. Ezeknek az elektródáknak gyorsabbnak és olcsóbbnak kell lenniük a nagyüzemi gyártáshoz, valamint gyorsabban kell tölteni és kisütni elektromos terhelésüket. A Washingtoni Egyetem mérnökeiből álló csapat úgy gondolja, hogy olyan szuperkondenzátor-elektródaanyagok gyártására alkalmas eljárást dolgoztak ki, amely megfelel ezeknek a szigorú ipari és használati követelményeknek.

Az UW anyagtudományi és mérnöki adjunktusa, Peter Pauzauskie vezette kutatók július 17-én publikáltak egy tanulmányt a Nature Microsystems and Nanoengineering folyóiratban, amelyben leírják szuperkondenzátor elektródájukat, valamint annak gyors és olcsó elkészítési módját. Új módszerük szénben gazdag anyagokkal kezdődik, amelyeket kis sűrűségű mátrixba, úgynevezett aerogéllé szárítottak. Ez az aerogél önmagában nyers elektródaként is működhet, de Pauzauskie csapata több mint kétszeresére növelte kapacitását, ami az elektromos töltés tárolására való képessége.

Ezek az olcsó kiindulási anyagok az egyszerű szintézis eljárással párosulva minimalizálják az ipari alkalmazás két közös akadályát: a költséget és a sebességet.

„Ipari alkalmazásokban az idő pénz” – mondta Pauzauskie. „A kiindulási anyagokat ezekhez az elektródákhoz hetek helyett órák alatt tudjuk elkészíteni. Ez pedig jelentősen csökkentheti a szintézis költségeit a nagy teljesítményű szuperkondenzátor elektródák előállításához.”

A hatékony szuperkondenzátor elektródákat szénben gazdag anyagokból szintetizálják, amelyek szintén nagy felülettel rendelkeznek. Ez utóbbi követelmény kritikus fontosságú, mivel a szuperkondenzátorok egyedülálló módon tárolják az elektromos töltést. Míg egy hagyományos akkumulátor a benne lezajló kémiai reakciók révén tárolja az elektromos töltéseket, a szuperkondenzátor ehelyett közvetlenül a felületén tárolja és választja el a pozitív és negatív töltéseket.

"A szuperkondenzátorok sokkal gyorsabban tudnak működni, mint az akkumulátorok, mert nem korlátozza őket a reakció sebessége vagy a keletkező melléktermékek" - mondta Matthew Lim, a kutatás társszerzője, az UW doktorandusza az Anyagtudományi és Mérnöki Tanszéken. „A szuperkondenzátorok nagyon gyorsan tudnak tölteni és kisütni, ezért kiválóan képesek leadni ezeket az „impulzusokat”.”

"Nagyszerű alkalmazásaik vannak olyan környezetben, ahol az akkumulátor önmagában túl lassú" - mondta Matthew Crane, a vezető szerző, az UW Chemical Engineering Tanszékének doktorandusza. „Azokban a pillanatokban, amikor az akkumulátor túl lassú ahhoz, hogy kielégítse az energiaigényt, egy nagy felületű elektródával rendelkező szuperkondenzátor gyorsan „beleugrik”, és pótolja az energiahiányt.”

A hatékony elektróda nagy felületének eléréséhez a csapat aerogélt használt. Ezek nedves, gélszerű anyagok, amelyek speciális szárításon és melegítésen mentek keresztül, hogy folyékony komponenseiket levegővel vagy más gázzal helyettesítsék. Ezek a módszerek megőrzik a gél 3-D szerkezetét, így nagy felületet és rendkívül alacsony sűrűséget biztosítanak. Ez olyan, mintha zsugorodás nélkül eltávolítaná az összes vizet a Jell-O-ból.

„Egy gramm aerogél körülbelül annyi felületet tartalmaz, mint egy futballpálya” – mondta Pauzauskie.

A Crane egy gélszerű polimerből, egy ismétlődő szerkezeti egységekkel rendelkező anyagból készített aerogélt, formaldehidből és más szénalapú molekulákból. Ez biztosította, hogy készülékük a mai szuperkondenzátor-elektródákhoz hasonlóan szénben gazdag anyagokból álljon.

Korábban Lim bebizonyította, hogy a grafén – amely egy mindössze egy atom vastagságú szénréteg – hozzáadása a gélhez szuperkondenzátor tulajdonságokkal itatja át a kapott aerogélt. Limnek és Crane-nek azonban javítania kellett az aerogél teljesítményén, és olcsóbbá és egyszerűbbé kellett tennie a szintézis folyamatát.

Lim korábbi kísérleteiben a grafén hozzáadása nem javította az aerogél kapacitását. Ezért ehelyett vékony molibdén-diszulfid- vagy volfrám-diszulfid-lemezekkel töltötték meg az aerogéleket. Mindkét vegyszert széles körben használják ma ipari kenőanyagokban.

A kutatók mindkét anyagot nagyfrekvenciás hanghullámokkal kezelték, hogy vékony lapokra törjék őket, és beépítsék a szénben gazdag gélmátrixba. Kevesebb mint két óra alatt képesek szintetizálni egy teljesen feltöltött nedves gélt, míg más módszerek több napot vesznek igénybe.

Miután megkapták a szárított, kis sűrűségű aerogélt, ragasztókkal és egy másik szénben gazdag anyaggal kombinálták, így ipari „tésztát” hoztak létre, amelyet Lim egyszerűen csak néhány ezred hüvelyk vastagságú lapokra tudott kinyújtani. Fél hüvelykes korongokat vágtak a tésztából, és egyszerű gombelem-burkolatokba rakták össze, hogy teszteljék az anyag szuperkondenzátor elektródaként való hatékonyságát.

Elektródáik nemcsak gyorsak, egyszerűek és könnyen szintetizálhatók, de kapacitásuk is legalább 127 százalékkal nagyobb, mint a szénben gazdag aerogél önmagában.

Lim és Crane arra számít, hogy a még vékonyabb molibdén-diszulfid- vagy volfrám-diszulfid-rétegekkel megtöltött aerogélek – körülbelül 10-100 atom vastagságúak – még jobb teljesítményt fognak mutatni. Először azonban azt akarták megmutatni, hogy a töltött aerogélek gyorsabban és olcsóbban szintetizálhatók, ami az ipari termelés szükséges lépése. A finomhangolás következik.

A csapat úgy véli, hogy ezek az erőfeszítések segíthetik a tudomány előrehaladását még a szuperkondenzátorelektródák birodalmán kívül is. Aerogéllel szuszpendált molibdén-diszulfidjuk kellően stabil maradhat ahhoz, hogy katalizálja a hidrogéntermelést. Az anyagok aerogélekben való gyors befogására szolgáló módszerüket pedig nagy kapacitású akkumulátoroknál vagy katalízisnél is alkalmazni lehetne.