슈퍼커패시터는 기존 배터리보다 더 빠르게 에너지를 저장하고 전달할 수 있는 적절한 이름의 장치입니다. 전기 자동차, 무선 통신 및 고출력 레이저를 포함한 응용 분야에 대한 수요가 높습니다.

그러나 이러한 응용을 실현하려면 슈퍼커패시터에는 슈퍼커패시터를 에너지에 의존하는 장치에 연결하는 더 나은 전극이 필요합니다. 이러한 전극은 대규모로 만들려면 더 빠르고 저렴해야 하며 전기 부하를 더 빠르게 충전 및 방전할 수 있어야 합니다. 워싱턴 대학의 엔지니어 팀은 이러한 엄격한 산업 및 사용 요구 사항을 충족할 수 있는 슈퍼커패시터 전극 재료 제조 공정을 생각해 냈다고 생각합니다.

University of Florida의 재료 과학 및 공학 조교수인 Peter Pauzauskie가 이끄는 연구진은 7월 17일 Nature Microsystems and Nanoengineering 저널에 슈퍼커패시터 전극과 이를 만드는 빠르고 저렴한 방법을 설명하는 논문을 발표했습니다. 그들의 새로운 방법은 에어로겔이라는 저밀도 매트릭스로 건조된 탄소가 풍부한 물질로 시작됩니다. 이 에어로젤은 그 자체로 조잡한 전극 역할을 할 수 있지만 Pauzauskie 팀은 정전 용량, 즉 전하를 저장하는 능력을 두 배 이상 늘렸습니다.

이러한 저렴한 출발 물질은 간소화된 합성 공정과 결합되어 산업 적용에 대한 두 가지 일반적인 장벽인 비용과 속도를 최소화합니다.

Pauzauskie는 "산업 응용 분야에서는 시간이 곧 돈입니다."라고 말했습니다. “우리는 몇 주가 아닌 몇 시간 만에 전극의 출발 물질을 만들 수 있습니다. 그리고 이는 고성능 슈퍼커패시터 전극을 만들기 위한 합성 비용을 크게 낮출 수 있습니다.”

효과적인 슈퍼커패시터 전극은 표면적이 크고 탄소가 풍부한 물질로 합성됩니다. 후자의 요구 사항은 슈퍼커패시터가 전하를 저장하는 독특한 방식 때문에 중요합니다. 기존 배터리는 내부에서 발생하는 화학 반응을 통해 전하를 저장하는 반면, 슈퍼커패시터는 표면에 직접 양전하와 음전하를 저장하고 분리합니다.

“수퍼커패시터는 반응 속도나 형성될 수 있는 부산물의 제한을 받지 않기 때문에 배터리보다 훨씬 빠르게 작동할 수 있습니다.”라고 공동 저자이자 UW 재료 과학 및 공학과 박사 과정 학생인 Matthew Lim이 말했습니다. "슈퍼커패시터는 매우 빠르게 충전 및 방전할 수 있기 때문에 이러한 전력 '펄스'를 전달하는 데 탁월한 성능을 발휘합니다."

"그들은 배터리 자체가 너무 느린 환경에서 훌륭한 응용 프로그램을 가지고 있습니다"라고 UW 화학 공학과의 박사 과정 학생이자 동료 저자인 Matthew Crane이 말했습니다. "배터리가 너무 느려서 에너지 수요를 충족할 수 없는 순간에는 표면적이 큰 전극을 갖춘 슈퍼커패시터가 빠르게 작동하여 에너지 부족을 보충할 수 있습니다."

효율적인 전극을 위한 높은 표면적을 얻기 위해 팀은 에어로겔을 사용했습니다. 이는 액체 성분을 공기 또는 다른 가스로 대체하기 위해 건조 및 가열이라는 특수 처리를 거친 습윤 젤형 물질입니다. 이러한 방법은 겔의 3차원 구조를 보존하여 표면적이 높고 밀도가 매우 낮습니다. 그것은 수축 없이 젤로에서 모든 물을 제거하는 것과 같습니다.

Pauzauskie는 "1g의 에어로젤에는 축구장 1개만큼의 표면적이 포함되어 있습니다."라고 말했습니다.

Crane은 포름알데히드 및 ​​기타 탄소 기반 분자로 생성된 반복 구조 단위를 가진 물질인 겔형 폴리머로 에어로겔을 만들었습니다. 이는 오늘날의 슈퍼커패시터 전극과 같은 장치가 탄소가 풍부한 재료로 구성되도록 보장했습니다.

이전에 Lim은 원자 한 개 두께의 탄소 시트인 그래핀을 젤에 추가하면 생성된 에어로젤에 슈퍼커패시터 특성이 스며들게 된다는 것을 입증했습니다. 그러나 Lim과 Crane은 에어로겔의 성능을 개선하고 합성 과정을 더 저렴하고 쉽게 만들 필요가 있었습니다.

Lim의 이전 실험에서는 그래핀을 추가해도 에어로겔의 용량이 향상되지 않았습니다. 그래서 그들은 대신에 이황화 몰리브덴이나 이황화 텅스텐의 얇은 시트를 에어로겔에 넣었습니다. 두 화학물질 모두 오늘날 산업용 윤활유에 널리 사용됩니다.

연구진은 두 물질을 고주파 음파로 처리하여 얇은 시트로 분해하고 탄소가 풍부한 젤 매트릭스에 통합했습니다. 다른 방법은 며칠이 걸리는 반면, 그들은 완전히 채워진 습식 겔을 2시간 이내에 합성할 수 있었습니다.

건조된 저밀도 에어로겔을 얻은 후 이를 접착제 및 탄소가 풍부한 다른 재료와 결합하여 산업용 "반죽"을 만들었습니다. Lim은 이 반죽을 수천 분의 1인치 두께의 시트로 간단히 펴서 만들 수 있었습니다. 그들은 반죽에서 0.5인치 디스크를 자르고 이를 간단한 코인 셀 배터리 케이스에 조립하여 슈퍼커패시터 전극으로서의 재료의 효과를 테스트했습니다.

전극은 빠르고 간단하며 합성이 쉬웠을 뿐만 아니라 탄소가 풍부한 에어로젤만 사용한 것보다 최소 127% 더 큰 정전 용량을 자랑했습니다.

Lim과 Crane은 훨씬 더 얇은 이황화 몰리브덴 또는 이황화 텅스텐 시트(원자 두께가 약 10~100개임)를 탑재한 에어로겔이 훨씬 더 나은 성능을 보일 것으로 기대합니다. 그러나 먼저 그들은 탑재된 에어로겔이 산업 생산에 필요한 단계인 합성이 더 빠르고 저렴하다는 것을 보여주고 싶었습니다. 미세 조정은 그 다음입니다.

팀은 이러한 노력이 슈퍼커패시터 전극 영역 밖에서도 과학을 발전시키는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다. 에어로겔에 부유된 이황화 몰리브덴은 수소 생산을 촉매할 수 있을 만큼 충분히 안정적으로 유지될 수 있습니다. 그리고 에어로겔에 물질을 빠르게 가두는 방법은 고용량 배터리나 촉매에 적용될 수 있습니다.