Ofurþéttar eru hæfilega nefnd tegund tækja sem getur geymt og afhent orku hraðar en hefðbundnar rafhlöður. Þeir eru í mikilli eftirspurn eftir forritum, þar á meðal rafbílum, þráðlausum fjarskiptum og öflugum leysigeislum.

En til að átta sig á þessum forritum þurfa ofurþéttar betri rafskaut, sem tengja ofurþétta við tækin sem eru háð orku þeirra. Þessar rafskaut þurfa að vera bæði fljótvirkari og ódýrari í stórum stíl og einnig geta hlaðið og tæmt rafhleðslu sína hraðar. Hópur verkfræðinga við háskólann í Washington telur sig hafa fundið upp ferli til að framleiða rafskautsefni með ofurþétta sem mun mæta þessum ströngu iðnaðar- og notkunarkröfum.

Rannsakendur, undir forystu UW lektors í efnisvísindum og verkfræði Peter Pauzauskie, birtu grein þann 17. júlí í tímaritinu Nature Microsystems and Nanoengineering þar sem lýst er ofurþétta rafskautinu sínu og hröðum, ódýrum hætti sem þeir gerðu það. Ný aðferð þeirra byrjar á kolefnisríkum efnum sem hafa verið þurrkuð í lágþéttni fylki sem kallast aerogel. Þetta loftgel getur eitt og sér virkað sem hrá rafskaut, en teymi Pauzauskie meira en tvöfaldaði rýmdina, sem er hæfni þess til að geyma rafhleðslu.

Þessi ódýru upphafsefni, ásamt straumlínulaguðu nýmyndunarferli, lágmarka tvær algengar hindranir fyrir iðnaðarnotkun: kostnað og hraða.

„Í iðnaðarnotkun er tími peningar,“ sagði Pauzauskie. „Við getum búið til upphafsefni þessara rafskauta á klukkustundum, frekar en vikum. Og það getur dregið verulega úr nýmyndunarkostnaði við að búa til afkastamikil ofurþétta rafskaut.“

Árangursrík supercapacitor rafskaut eru unnin úr kolefnisríkum efnum sem hafa einnig mikið yfirborð. Síðarnefnda krafan er mikilvæg vegna þess einstaka hvernig ofurþéttar geyma rafhleðslu. Þó að hefðbundin rafhlaða geymir rafhleðslur með efnahvörfum sem eiga sér stað innan hennar, geymir ofurþétti þess í stað og aðskilur jákvæðar og neikvæðar hleðslur beint á yfirborði þess.

„Yfirþéttar geta virkað miklu hraðar en rafhlöður vegna þess að þeir takmarkast ekki af hraða efnahvarfanna eða aukaafurðum sem geta myndast,“ sagði meðhöfundur Matthew Lim, doktorsnemi í UW við efnafræði- og verkfræðideild. „Yfirþéttar geta hlaðið og tæmd mjög hratt, þess vegna eru þeir frábærir í að skila þessum „púlsum“ af krafti.“

„Þeir hafa frábær forrit í stillingum þar sem rafhlaðan ein og sér er of hæg,“ sagði annar aðalhöfundur Matthew Crane, doktorsnemi í UW Department of Chemical Engineering. „Á augnablikum þar sem rafhlaða er of hæg til að mæta orkuþörf, gæti ofurþétti með rafskaut með miklu yfirborðsflatarmáli „sparkað“ hratt inn og bætt upp orkuskortinn.“

Til að fá mikið yfirborð fyrir skilvirkt rafskaut notaði teymið loftgel. Þetta eru blaut, hlaupkennd efni sem hafa farið í gegnum sérstaka meðhöndlun þurrkunar og upphitunar til að skipta út fljótandi íhlutum þeirra fyrir loft eða aðra gastegund. Þessar aðferðir varðveita þrívíddarbyggingu hlaupsins og gefa því mikið yfirborð og mjög lágan þéttleika. Það er eins og að fjarlægja allt vatn úr Jell-O án þess að minnka.

„Eitt gramm af loftgeli inniheldur um það bil jafn mikið yfirborð og einn fótboltavöllur,“ sagði Pauzauskie.

Crane bjó til loftgel úr gellíkri fjölliðu, efni með endurteknum byggingareiningum, búið til úr formaldehýði og öðrum kolefnisbundnum sameindum. Þetta tryggði að tæki þeirra, eins og ofurþéttara rafskaut nútímans, myndi samanstanda af kolefnisríkum efnum.

Áður sýndi Lim fram á að það að bæta grafeni - sem er lak af kolefni sem er aðeins eitt atóm á þykkt - við hlaupið veitti loftgelinu sem myndast ofurþétta eiginleika. En, Lim og Crane þurftu að bæta afköst loftgelsins og gera nýmyndunarferlið ódýrara og auðveldara.

Í fyrri tilraunum Lim hafði það að bæta við grafeni ekki bætt rýmd loftgelsins. Þess vegna hlaða þeir í staðinn úðagler með þunnum blöðum af annað hvort mólýbden tvísúlfíði eða wolfram tvísúlfíði. Bæði efnin eru mikið notuð í dag í smurolíu fyrir iðnað.

Rannsakendur meðhöndluðu bæði efnin með hátíðni hljóðbylgjum til að brjóta þau upp í þunn blöð og felldu þau inn í kolefnisríkt hlaupfylki. Þeir gætu búið til fullhlaðna blautt hlaup á innan við tveimur klukkustundum, en aðrar aðferðir myndu taka marga daga.

Eftir að hafa fengið þurrkað, lágþéttni loftgelið, sameinuðu þeir það við lím og annað kolefnisríkt efni til að búa til iðnaðar "deig", sem Lim gæti einfaldlega rúllað út í blöð sem eru aðeins nokkra þúsundustu úr tommu þykkt. Þeir skáru hálftommu diska úr deiginu og settu þá saman í einföld myntfrumu rafhlöðuhylki til að prófa virkni efnisins sem rafþétta rafskaut.

Rafskautin þeirra voru ekki aðeins hröð, einföld og auðvelt að búa til, heldur voru þau einnig með rýmd sem var að minnsta kosti 127 prósent meiri en kolefnisríka loftgelið eitt og sér.

Lim og Crane búast við að loftgel hlaðin með enn þynnri blöðum af mólýbdendísúlfíði eða wolframdísúlfíði - þeirra voru um það bil 10 til 100 atóm þykk - myndu sýna enn betri árangur. En fyrst vildu þeir sýna fram á að hlaðnar loftgellur yrðu hraðari og ódýrari í myndun, nauðsynlegt skref fyrir iðnaðarframleiðslu. Fínstillingin kemur næst.

Teymið telur að þessi viðleitni geti hjálpað til við að efla vísindi jafnvel utan sviðs ofurþétta rafskauta. Aerogel-sviflausn mólýbden tvísúlfíð þeirra gæti haldist nægilega stöðug til að hvetja vetnisframleiðslu. Og aðferð þeirra til að fanga efni fljótt í loftgelum gæti verið beitt á rafhlöður með mikla rafrýmd eða hvata.