სუპერკონდენსატორები არის მოწყობილობის სწორად დასახელებული ტიპი, რომელსაც შეუძლია ენერგიის შენახვა და მიწოდება უფრო სწრაფად, ვიდრე ჩვეულებრივი ბატარეები. მათ დიდი მოთხოვნა აქვთ აპლიკაციებზე, მათ შორის ელექტრო მანქანების, უკაბელო ტელეკომუნიკაციებისა და მაღალი სიმძლავრის ლაზერების ჩათვლით.

მაგრამ ამ აპლიკაციების განსახორციელებლად, სუპერკონდენსატორები სჭირდებათ უკეთესი ელექტროდები, რომლებიც აკავშირებენ სუპერკონდენსატორს მათ ენერგიაზე დამოკიდებულ მოწყობილობებთან. ეს ელექტროდები უნდა იყოს უფრო სწრაფი და იაფი, რათა მოხდეს ფართომასშტაბიანი და ასევე შეეძლოს მათი ელექტრული დატვირთვის უფრო სწრაფად დამუხტვა და განმუხტვა. ვაშინგტონის უნივერსიტეტის ინჟინრების გუნდი ფიქრობს, რომ მათ შეიმუშავეს სუპერკონდენსატორის ელექტროდის მასალების წარმოების პროცესი, რომელიც დააკმაყოფილებს ამ მკაცრ სამრეწველო და გამოყენების მოთხოვნებს.

მკვლევარებმა, UW მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის ასისტენტ პროფესორ პიტერ პაუზაუსკის ხელმძღვანელობით, 17 ივლისს გამოაქვეყნეს ნაშრომი ჟურნალში Nature Microsystems and Nanoengineering, სადაც აღწერილია მათი სუპერკონდენსატორის ელექტროდი და მისი დამზადების სწრაფი, იაფი გზა. მათი ახალი მეთოდი იწყება ნახშირბადით მდიდარი მასალებით, რომლებიც გაშრეს დაბალი სიმკვრივის მატრიცაში, რომელსაც ეწოდება აეროგელი. ამ აეროგელს დამოუკიდებლად შეუძლია იმოქმედოს როგორც ნედლი ელექტროდი, მაგრამ პაუზაუსკის გუნდმა გაორმაგდა მისი ტევადობა, რაც ელექტრული მუხტის შენახვის უნარია.

ეს იაფი საწყისი მასალები, გამარტივებული სინთეზის პროცესთან ერთად, ამცირებს სამრეწველო გამოყენების ორ საერთო ბარიერს: ღირებულებას და სიჩქარეს.

”სამრეწველო აპლიკაციებში დრო ფულია”, - თქვა პაუზაუსკიმ. „ამ ელექტროდებისთვის საწყისი მასალების დამზადება შეგვიძლია საათებში და არა კვირებში. და ამან შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს სინთეზის ღირებულება მაღალი ხარისხის სუპერკონდენსატორის ელექტროდების დამზადებისთვის.

ეფექტური სუპერკონდენსატორის ელექტროდები სინთეზირებულია ნახშირბადით მდიდარი მასალებისგან, რომლებსაც ასევე აქვთ მაღალი ზედაპირის ფართობი. ეს უკანასკნელი მოთხოვნა კრიტიკულია, რადგან სუპერკონდენსატორები ინახავენ ელექტრო მუხტს. მიუხედავად იმისა, რომ ჩვეულებრივი ბატარეა ინახავს ელექტრულ მუხტს მასში მომხდარი ქიმიური რეაქციების მეშვეობით, სუპერკონდენსატორი ინახავს და გამოყოფს დადებით და უარყოფით მუხტებს პირდაპირ მის ზედაპირზე.

„სუპერკონდენსატორები შეიძლება იმოქმედონ ბევრად უფრო სწრაფად, ვიდრე ბატარეები, რადგან ისინი არ შემოიფარგლება რეაქციის სიჩქარით ან წარმოქმნილი ქვეპროდუქტებით“, - თქვა თანაწამყვანმა ავტორმა მეთიუ ლიმმა, UW დოქტორანტმა მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის დეპარტამენტში. „სუპერკონდენსატორების დატენვა და განმუხტვა შეიძლება ძალიან სწრაფად, რის გამოც ისინი შესანიშნავად აწვდიან ძალას ამ „პულსებს“.

”მათ აქვთ შესანიშნავი აპლიკაციები იმ პარამეტრებში, სადაც ბატარეა თავისთავად ძალიან ნელია”, - თქვა თანამემამულე წამყვანმა ავტორმა მეთიუ კრეინმა, UW ქიმიური ინჟინერიის დეპარტამენტის დოქტორანტი. „იმ მომენტებში, როდესაც ბატარეა ძალიან ნელია ენერგეტიკული მოთხოვნილების დასაკმაყოფილებლად, სუპერკონდენსატორი მაღალი ზედაპირის ფართობის ელექტროდით შეიძლება სწრაფად „ჩამოვარდეს“ და აანაზღაუროს ენერგიის დეფიციტი“.

ეფექტური ელექტროდისთვის მაღალი ზედაპირის ფართობის მისაღებად ჯგუფმა გამოიყენა აეროგელები. ეს არის სველი, გელის მსგავსი ნივთიერებები, რომლებმაც გაიარეს გაშრობისა და გათბობის სპეციალური დამუშავება, რათა შეცვალონ მათი თხევადი კომპონენტები ჰაერით ან სხვა გაზით. ეს მეთოდები ინარჩუნებს გელის 3-D სტრუქტურას, აძლევს მას მაღალ ზედაპირს და უკიდურესად დაბალ სიმკვრივეს. ეს ჰგავს Jell-O-დან მთელი წყლის ამოღებას შეკუმშვის გარეშე.

”ერთი გრამი აეროგელი შეიცავს დაახლოებით იმდენ ფართობს, რამდენიც ერთი ფეხბურთის მოედანი”, - თქვა პაუზაუსკიემ.

ამწე აეროგელებს ამზადებდა გელისმაგვარი პოლიმერისგან, მასალისგან განმეორებადი სტრუქტურული ერთეულებით, შექმნილი ფორმალდეჰიდისა და ნახშირბადზე დაფუძნებული სხვა მოლეკულებისგან. ეს უზრუნველყოფდა, რომ მათი მოწყობილობა, ისევე როგორც დღევანდელი სუპერკონდენსატორის ელექტროდები, შედგებოდა ნახშირბადით მდიდარი მასალებისგან.

მანამდე ლიმმა აჩვენა, რომ გრაფენის, რომელიც არის ნახშირბადის მხოლოდ ერთი ატომის სისქის ფურცლის დამატება გელში, შედეგად მიღებული აეროგელი სუპერკონდენსატორის თვისებებით იყო გამსჭვალული. მაგრამ, Lim and Crane-ს სჭირდებოდათ აეროგელის მუშაობის გაუმჯობესება და სინთეზის პროცესი უფრო იაფი და მარტივი.

ლიმის წინა ექსპერიმენტებში გრაფენის დამატებამ არ გააუმჯობესა აეროგელის ტევადობა. ასე რომ, მათ ნაცვლად დატვირთეს აეროგელები მოლიბდენის დისულფიდის ან ვოლფრამის დისულფიდის თხელი ფურცლებით. ორივე ქიმიკატი დღეს ფართოდ გამოიყენება სამრეწველო საპოხი მასალებისთვის.

მკვლევარებმა ორივე მასალა დაამუშავეს მაღალი სიხშირის ბგერითი ტალღებით, რათა დაყოფილიყვნენ თხელ ფურცლებად და ჩაატარეს ნახშირბადით მდიდარ გელის მატრიცაში. მათ შეეძლოთ სრულად დატვირთული სველი გელის სინთეზირება ორ საათზე ნაკლებ დროში, ხოლო სხვა მეთოდებს მრავალი დღე დასჭირდება.

გამხმარი, დაბალი სიმკვრივის აეროგელის მიღების შემდეგ, მათ გააერთიანეს იგი წებოვანებთან და ნახშირბადით მდიდარ სხვა მასალასთან, რათა შეექმნათ სამრეწველო „ცომი“, რომელიც ლიმს უბრალოდ შეეძლო რამდენიმე მეათასედი ინჩის სისქის ფურცლებზე გადატანა. მათ ამოჭრეს ცომიდან ნახევარი დიუმიანი დისკები და შეკრიბეს ისინი მარტივი მონეტის ბატარეის გარსაცმებში, რათა შეამოწმონ მასალის ეფექტურობა, როგორც სუპერკონდენსატორის ელექტროდი.

არა მხოლოდ მათი ელექტროდები იყო სწრაფი, მარტივი და ადვილად სინთეზირებადი, არამედ მათ ასევე ჰქონდათ ტევადობა მინიმუმ 127 პროცენტით მეტი, ვიდრე მხოლოდ ნახშირბადით მდიდარი აეროგელი.

ლიმი და კრეინი იმედოვნებენ, რომ მოლიბდენის დისულფიდის ან ვოლფრამის დისულფიდის კიდევ უფრო თხელი ფურცლებით დატვირთული აეროგელები - მათი სისქე დაახლოებით 10-დან 100 ატომამდე იყო - უკეთეს ეფექტს აჩვენებდნენ. მაგრამ პირველ რიგში მათ სურდათ ეჩვენებინათ, რომ დატვირთული აეროგელების სინთეზირება უფრო სწრაფი და იაფი იქნებოდა, რაც აუცილებელი ნაბიჯია სამრეწველო წარმოებისთვის. დახვეწილი რეგულირება შემდეგია.

გუნდი თვლის, რომ ამ ძალისხმევას შეუძლია დაეხმაროს მეცნიერების წინსვლას სუპერკონდენსატორის ელექტროდების ფარგლებს გარეთაც კი. მათი აეროგელით შეჩერებული მოლიბდენის დისულფიდი შეიძლება დარჩეს საკმარისად სტაბილური წყალბადის წარმოების კატალიზებისთვის. და მათი მეთოდი აეროგელებში მასალების სწრაფად დასაჭერად შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი ტევადობის ბატარეებზე ან კატალიზზე.