Суперконденсаторлар кәдімгі аккумуляторларға қарағанда энергияны тезірек сақтайтын және жеткізе алатын құрылғының дұрыс аталған түрі болып табылады. Олар электромобильдерді, сымсыз телекоммуникацияларды және жоғары қуатты лазерлерді қоса алғанда, қолданбаларға жоғары сұранысқа ие.

Бірақ бұл қолданбаларды жүзеге асыру үшін суперконденсаторларға суперконденсаторды олардың энергиясына тәуелді құрылғыларға қосатын жақсы электродтар қажет. Бұл электродтарды кең ауқымда жасау үшін тезірек және арзанырақ болуы керек, сонымен қатар олардың электр жүктемесін тезірек зарядтау және босату мүмкіндігі болуы керек. Вашингтон университетіндегі инженерлер тобы осы қатаң өндірістік және пайдалану талаптарын қанағаттандыратын суперконденсаторлы электрод материалдарын өндіру процесін ойлап тапты деп ойлайды.

UW материалтану және инженерия кафедрасының ассистент профессоры Питер Паузаски бастаған зерттеушілер 17 шілдеде Nature Microsystems және Nanoengineering журналында олардың суперконденсатор электроды мен оны жасаудың жылдам әрі арзан әдісін сипаттайтын мақаласын жариялады. Олардың жаңа әдісі аэрогель деп аталатын төмен тығыздықтағы матрицаға кептірілген көміртегіге бай материалдардан басталады. Бұл аэрогель өздігінен шикі электрод ретінде әрекет ете алады, бірақ Паузауски командасы оның сыйымдылығын екі еседен астам арттырды, яғни оның электр зарядын сақтау қабілеті.

Бұл арзан бастапқы материалдар жеңілдетілген синтез процесімен бірге өнеркәсіптік қолданудағы екі жалпы кедергіні азайтады: құны мен жылдамдығы.

«Өнеркәсіптік қолданбаларда уақыт - ақша», - деді Паузаски. «Біз бұл электродтар үшін бастапқы материалдарды апталарда емес, бірнеше сағатта жасай аламыз. Бұл жоғары өнімді суперконденсатор электродтарын жасау үшін синтез құнын айтарлықтай төмендетуі мүмкін ».

Тиімді суперконденсатор электродтары көміртегіге бай материалдардан синтезделеді, олардың да бетінің ауданы жоғары. Соңғы талап өте маңызды, өйткені суперконденсаторлар электр зарядын сақтайды. Кәдімгі батарея электр зарядтарын оның ішінде болатын химиялық реакциялар арқылы сақтаса, оның орнына суперконденсатор оң және теріс зарядтарды тікелей оның бетінде сақтайды және бөледі.

«Суперконденсаторлар батареяларға қарағанда әлдеқайда жылдам әрекет ете алады, өйткені олар реакция жылдамдығымен немесе пайда болуы мүмкін жанама өнімдермен шектелмейді», - деді бірлескен жетекші автор Мэттью Лим, Материалтану және инженерия кафедрасының UW докторанты. «Суперконденсаторлар өте тез зарядталады және разрядталады, сондықтан олар қуаттың «импульстерін» жеткізуде тамаша».

«Олардың батареяның өзі тым баяу болатын жағдайларда тамаша қолданбалары бар», - дейді жетекші авторы Мэттью Крейн, UW химия инженериясы кафедрасының докторанты. «Батарея энергияға деген сұранысты қанағаттандыру үшін тым баяу болған кезде, бетінің ауданы жоғары электроды бар суперконденсатор тез «қағып», энергия тапшылығын толтыра алады».

Тиімді электрод үшін жоғары беттік ауданды алу үшін команда аэрогельдерді пайдаланды. Бұл сұйық компоненттерін ауамен немесе басқа газбен ауыстыру үшін кептіру және қыздырудың арнайы өңдеуінен өткен дымқыл, гель тәрізді заттар. Бұл әдістер гельдің 3-D құрылымын сақтай отырып, оған жоғары беттік аудан мен өте төмен тығыздық береді. Бұл Jell-O-дан барлық суды шөгусіз кетіру сияқты.

«Бір грамм аэрогельде бір футбол алаңындағыдай көп жер бар», - деді Паузауски.

Кран формальдегидтен және көміртегі негізіндегі басқа молекулалардан жасалған қайталанатын құрылымдық бірліктері бар материалдан гель тәрізді полимерден аэрогельдер жасады. Бұл олардың құрылғысы, қазіргі суперконденсатор электродтары сияқты, көміртегіге бай материалдардан тұратынын қамтамасыз етті.

Бұрын Лим гельге қалыңдығы бір атомды көміртегі парағы болып табылатын графенді қосу нәтижесінде алынған аэрогельді суперконденсаторлық қасиеттермен сіңіргенін көрсетті. Бірақ, Лим мен Кран аэрогельдің өнімділігін жақсартып, синтез процесін арзан әрі жеңілдетуі керек болды.

Лимнің алдыңғы эксперименттерінде графенді қосу аэрогельдің сыйымдылығын жақсартпады. Сондықтан олар оның орнына молибден дисульфиді немесе вольфрам дисульфидінің жұқа парақтары бар аэрогельдерді жүктеді. Екі химиялық зат бүгінде өнеркәсіптік майлау материалдарында кеңінен қолданылады.

Зерттеушілер екі материалды да жұқа парақтарға бөлу үшін жоғары жиілікті дыбыс толқындарымен өңдеп, көміртегіге бай гельдік матрицаға енгізді. Олар толық толтырылған дымқыл гельді екі сағаттан аз уақыт ішінде синтездей алады, ал басқа әдістерге көп күн қажет болады.

Кептірілген, төмен тығыздықтағы аэрогельді алғаннан кейін олар оны желімдермен және көміртегіге бай басқа материалмен біріктіріп, Лимнің қалыңдығы бірнеше мыңнан бір дюйм болатын парақтарға жайып салатын өнеркәсіптік «қамырды» жасады. Олар қамырдан жарты дюймдік дискілерді кесіп алып, материалдың суперконденсаторлы электрод ретінде тиімділігін тексеру үшін оларды қарапайым монета ұяшығына арналған батарея қаптамаларына жинады.

Олардың электродтары жылдам, қарапайым және оңай синтезделіп қана қоймай, сонымен бірге олар көміртегіге бай аэрогельге қарағанда сыйымдылығы кемінде 127 пайызға жоғары болды.

Лим мен Кран молибден дисульфиді немесе вольфрам дисульфидінің жұқа парақтары (олардың қалыңдығы шамамен 10-100 атом болатын) толтырылған аэрогельдер одан да жақсы өнімділік көрсетеді деп күтеді. Бірақ алдымен олар жүктелген аэрогельдерді синтездеу тезірек және арзанырақ болатынын көрсеткісі келді, бұл өнеркәсіптік өндіріс үшін қажетті қадам. Нақты баптау келесі келеді.

Команда бұл күш-жігер ғылымды суперконденсаторлы электродтар шеңберінен тыс ілгерілетуге көмектеседі деп санайды. Олардың аэрогельмен суспензияланған молибден дисульфиді сутегі өндірісін катализдеу үшін жеткілікті тұрақты болып қалуы мүмкін. Және олардың аэрогельдерде материалдарды жылдам ұстау әдісі жоғары сыйымдылықты батареяларға немесе катализге қолданылуы мүмкін.