קבלי-על הם סוג של מכשיר בעל שם מתאים שיכול לאחסן ולספק אנרגיה מהר יותר מאשר סוללות רגילות. יש להם ביקוש רב ליישומים הכוללים מכוניות חשמליות, תקשורת אלחוטית ולייזרים בעלי עוצמה גבוהה.

אבל כדי לממש את היישומים הללו, קבלי-על זקוקים לאלקטרודות טובות יותר, אשר מחברות את קבל-העל למכשירים התלויים באנרגיה שלהם. אלקטרודות אלו צריכות להיות גם מהירות וגם זולות יותר לייצור בקנה מידה גדול וגם מסוגלות לטעון ולפרוק את העומס החשמלי שלהן מהר יותר. צוות מהנדסים מאוניברסיטת וושינגטון חושב שהם הגיעו לתהליך לייצור חומרי אלקטרודות קבלי-על שיענו על הדרישות התעשייתיות והשימושיות המחמירות הללו.

החוקרים, ובראשם עוזר פרופסור למדעי החומרים והנדסת החומרים פיטר פאוזאוסקי, פרסמו ב-17 ביולי מאמר בכתב העת Nature Microsystems and Nanoengineering המתאר את אלקטרודת קבל-העל שלהם ואת הדרך המהירה והזולה שהם יצרו אותה. השיטה החדשנית שלהם מתחילה בחומרים עשירים בפחמן שיובשו למטריצה ​​בצפיפות נמוכה הנקראת אירוג'ל. הג'ל האווירי הזה בפני עצמו יכול לפעול כאלקטרודה גולמית, אבל הצוות של Pauzauskie יותר מהכפיל את הקיבול שלו, שהוא היכולת שלו לאגור מטען חשמלי.

חומרי מוצא זולים אלה, יחד עם תהליך סינתזה יעיל, ממזערים שני חסמים נפוצים ליישום תעשייתי: עלות ומהירות.

"ביישומים תעשייתיים, זמן הוא כסף", אמר פאוזאוסקי. "אנחנו יכולים לייצר את חומרי המוצא של האלקטרודות האלה בשעות, ולא בשבועות. וזה יכול להוזיל משמעותית את עלות הסינתזה לייצור אלקטרודות קבל-על בעלות ביצועים גבוהים."

אלקטרודות קבל-על יעילות מסונתזות מחומרים עשירים בפחמן שיש להם גם שטח פנים גבוה. הדרישה האחרונה היא קריטית בגלל הדרך הייחודית שבה קבלי-על אוגרים מטען חשמלי. בעוד שסוללה קונבנציונלית אוגרת מטענים חשמליים באמצעות התגובות הכימיות המתרחשות בתוכה, קבל-על במקום מאחסן ומפריד מטענים חיוביים ושליליים ישירות על פני השטח שלו.

"קבלי-על יכולים לפעול הרבה יותר מהר מאשר סוללות מכיוון שהם אינם מוגבלים על ידי מהירות התגובה או תוצרי לוואי שיכולים להיווצר", אמר מחבר מוביל משותף מתיו לים, דוקטורנט ב-UW במחלקה למדע והנדסת חומרים. "קבלי-על יכולים להיטען ולהתפרק מהר מאוד, וזו הסיבה שהם מעולים במתן 'פולסים' אלה של כוח."

"יש להם יישומים נהדרים בהגדרות שבהן הסוללה בפני עצמה איטית מדי", אמר עמית הסופר הראשי מתיו קריין, דוקטורנט במחלקה להנדסה כימית ב-UW. "ברגעים שבהם הסוללה איטית מדי כדי לעמוד בדרישות האנרגיה, קבל-על עם אלקטרודה בעלת שטח פנים גבוה יכול 'להיכנס' במהירות ולפצות על הגירעון באנרגיה."

כדי לקבל את שטח הפנים הגבוה עבור אלקטרודה יעילה, הצוות השתמש בארוג'לים. מדובר בחומרים רטובים דמויי ג'ל שעברו טיפול מיוחד של ייבוש וחימום כדי להחליף את מרכיביהם הנוזליים באוויר או בגז אחר. שיטות אלו משמרות את המבנה התלת מימדי של הג'ל, ומעניקות לו שטח פנים גבוה וצפיפות נמוכה במיוחד. זה כמו להוציא את כל המים מג'ל-או בלי להתכווץ.

"גרם אחד של איירגל מכיל בערך שטח פנים כמו מגרש כדורגל אחד", אמר פאוזאוסקי.

קריין ייצר אירוג'לים מפולימר דמוי ג'ל, חומר בעל יחידות מבניות חוזרות, שנוצר מפורמלדהיד וממולקולות אחרות המבוססות על פחמן. זה הבטיח שהמכשיר שלהם, כמו אלקטרודות קבל-על של היום, יהיה מורכב מחומרים עשירים בפחמן.

בעבר, לים הוכיח שהוספת גרפן - שהוא יריעת פחמן בעובי של אטום אחד בלבד - לג'ל החדירה לג'ל האוויר שנוצר תכונות של קבל-על. אבל, Lim וקריין היו צריכים לשפר את ביצועי האירוג'ל, ולהפוך את תהליך הסינתזה לזול וקל יותר.

בניסויים הקודמים של לים, הוספת גרפן לא שיפרה את הקיבול של האירוג'ל. אז הם במקום הטעינו אירוג'לים עם יריעות דקות של מוליבדן דיסולפיד או טונגסטן דיסולפיד. שני הכימיקלים נמצאים בשימוש נרחב כיום בחומרי סיכה תעשייתיים.

החוקרים טיפלו בשני החומרים בגלי קול בתדר גבוה כדי לפרק אותם ליריעות דקות ושילבו אותם במטריצת הג'ל העשירה בפחמן. הם יכלו לסנתז ג'ל רטוב מלא בפחות משעתיים, בעוד ששיטות אחרות ייקחו ימים רבים.

לאחר שהשיגו את האירוג'ל המיובש, בצפיפות נמוכה, הם שילבו אותו עם דבקים וחומר נוסף עשיר בפחמן כדי ליצור "בצק" תעשייתי, שאותו לים יכול פשוט לרדד ליריעות בעובי של אלפיות סנטימטר בלבד. הם חתכו מהבצק דיסקים בגודל חצי אינץ' והרכיבו אותם למארזים פשוטים של סוללות מטבעות כדי לבדוק את יעילות החומר כאלקטרודת קבל-על.

לא רק שהאלקטרודות שלהם היו מהירות, פשוטות וקלות לסינתזה, אלא שהן גם החזיקו בקיבול של לפחות 127 אחוזים יותר מאשר הג'ל האירופי העשיר בפחמן בלבד.

לים וקריין מצפים שאירוגלים עמוסים ביריעות דקות אפילו יותר של מוליבדן דיסולפיד או טונגסטן דיסולפיד - העובי שלהם היה כ-10 עד 100 אטומים - יציגו ביצועים טובים עוד יותר. אבל תחילה, הם רצו להראות כי אירוג'לים טעונים יהיו מהירים יותר וזולים יותר לסינתזה, צעד הכרחי לייצור תעשייתי. הכוונון העדין מגיע לאחר מכן.

הצוות מאמין שמאמצים אלה יכולים לעזור לקדם את המדע גם מחוץ לתחום האלקטרודות של קבלי העל. דיסולפיד מוליבדן מוליבדן מושעה שלהם עשוי להישאר יציב מספיק כדי לזרז ייצור מימן. והשיטה שלהם ללכוד חומרים במהירות באירוגלים יכולה להיות מיושמת על סוללות קיבול גבוהות או קטליזה.