スーパーキャパシタは、従来のバッテリーよりも速くエネルギーを貯蔵および供給で​​きる、適切な名前のタイプのデバイスです。これらは、電気自動車、無線通信、高出力レーザーなどの用途で高い需要があります。

しかし、これらの用途を実現するには、スーパーキャパシタをそのエネルギーに依存するデバイスに接続する、より優れた電極が必要です。これらの電極は、大規模に製造するためにより迅速かつ安価である必要があり、また、電気負荷をより迅速に充電および放電できる必要もあります。ワシントン大学の技術者チームは、これらの厳しい産業および用途の要求を満たすスーパーキャパシタ電極材料の製造プロセスを思いついたと考えています。

ウィスコンシン大学材料科学工学助教授ピーター・パウザウスキー率いる研究者らは、スーパーキャパシタ電極とそれを高速かつ安価に製造する方法について説明した論文を、7月17日に学術誌「Nature Microsystems and Nanoengineering」に発表した。彼らの新しい方法は、エアロゲルと呼ばれる低密度マトリックスに乾燥させた炭素豊富な材料から始まります。このエアロゲルはそれ自体でも粗い電極として機能しますが、パウザウスキーのチームはその静電容量、つまり電荷を蓄える能力を 2 倍以上に高めました。

これらの安価な出発原料と合理化された合成プロセスを組み合わせることで、コストと速度という産業応用に対する 2 つの共通の障壁が最小限に抑えられます。

「産業用途では、時は金なりです」とパウザウスキー氏は言います。 「これらの電極の出発材料は、数週間ではなく数時間で作成できます。そしてそれにより、高性能スーパーキャパシタ電極を製造するための合成コストを大幅に下げることができます。」

効果的なスーパーキャパシタ電極は、表面積が大きい炭素を豊富に含む材料から合成されます。スーパーキャパシタが電荷を蓄積する独特の方法のため、後者の要件は重要です。従来のバッテリーは内部で起こる化学反応によって電荷を蓄えますが、スーパーキャパシタはその代わりに、正電荷と負電荷を表面に直接蓄えて分離します。

「スーパーキャパシタは、反応速度や生成する可能性のある副産物によって制限されないため、バッテリーよりもはるかに速く動作できます」と、共同筆頭著者であり、ウィスコンシン州材料科学工学科博士課程の学生であるマシュー・リム氏は述べています。 「スーパーキャパシタは非常に速く充電および放電できるため、これらの電力の『パルス』を供給するのに優れています。」

「バッテリーだけでは遅すぎる環境での優れた用途があります」と、筆頭著者の一人で、ウィスコンシン州化学工学部の博士課程の学生であるマシュー・クレーン氏は述べています。 「バッテリーの速度が遅すぎてエネルギー需要を満たすことができない場合、表面積の大きい電極を備えたスーパーキャパシタがすぐに作動して、エネルギー不足を補うことができます。」

効率的な電極のための高い表面積を得るために、チームはエアロゲルを使用しました。これらは、乾燥と加熱という特別な処理を経て、液体成分を空気または別の気体に置き換えた湿ったゲル状の物質です。これらの方法ではゲルの 3D 構造が保存され、高い表面積と非常に低い密度が得られます。それは、ジェロから収縮せずにすべての水を取り除くようなものです。

「エアロゲル 1 グラムには、サッカー場 1 つ分とほぼ同じ表面積が含まれています」とパウザウスキー氏は言います。

Crane は、ホルムアルデヒドやその他の炭素ベースの分子から作成された繰り返し構造単位を持つ材料であるゲル状ポリマーからエアロゲルを作成しました。これにより、彼らのデバイスは、今日のスーパーキャパシタの電極と同様に、炭素を豊富に含む材料で構成されることが保証されました。

以前、リム氏は、原子 1 個分の厚さの炭素シートであるグラフェンをゲルに追加すると、得られたエアロゲルにスーパーキャパシタの特性が与えられることを実証しました。しかし、リム氏とクレーン氏はエアロゲルの性能を向上させ、合成プロセスをより安価かつ簡単にする必要がありました。

リム氏の以前の実験では、グラフェンを添加してもエアロゲルの静電容量は改善されませんでした。そこで彼らは代わりに、二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンの薄いシートをエアロゲルに充填しました。どちらの化学物質も現在、工業用潤滑剤として広く使用されています。

研究者らは、両方の材料を高周波音波で処理して薄いシートに砕き、炭素が豊富なゲルマトリックスに組み込みました。他の方法では何日もかかりますが、彼らは完全に充填された湿潤ゲルを 2 時間以内に合成できました。

乾燥した低密度のエアロゲルを入手した後、彼らはそれを接着剤や別の炭素豊富な材料と組み合わせて工業用「生地」を作成し、リム氏はこれを簡単に圧延してわずか数千分の1インチの厚さのシートを作成することができた。彼らは生地から0.5インチのディスクを切り出し、それを単純なコイン電池ケースに組み立てて、スーパーキャパシタ電極としての材料の有効性をテストしました。

これらの電極は、合成が速く、シンプルで簡単であるだけでなく、炭素を豊富に含むエアロゲル単独よりも少なくとも 127% 大きい静電容量も示しました。

リム氏とクレーン氏は、二硫化モリブデンまたは二硫化タングステンのさらに薄いシート（原子の厚さが約 10 ～ 100 個）を充填したエアロゲルがさらに優れた性能を示すだろうと予想しています。しかしまず、彼らは、工業生産に必要なステップである、充填エアロゲルの合成がより速く、より安価であることを示したかったのです。次に微調整です。

研究チームは、こうした取り組みがスーパーキャパシタ電極の領域外でも科学の進歩に役立つと信じている。エアロゲルに懸濁された二硫化モリブデンは、水素生成を触媒するのに十分な安定性を維持している可能性があります。そして、エアロゲル内に物質を素早く捕捉する彼らの方法は、高容量バッテリーや触媒作用に応用できる可能性がある。