Суперконденсаторлор кадимки батарейкаларга караганда энергияны тезирээк сактап жана жеткире алган ылайыктуу аталыштагы түзүлүш болуп саналат. Алар электр машиналары, зымсыз телекоммуникациялар жана кубаттуу лазерлер сыяктуу тиркемелерге жогорку суроо-талапка ээ.

Бирок бул тиркемелерди ишке ашыруу үчүн суперконденсаторлорго жакшыраак электроддор керек, алар суперконденсаторду энергиясынан көз каранды болгон түзүлүштөргө туташтырышат. Бул электроддор чоң масштабда жасоо үчүн тезирээк жана арзаныраак болушу керек, ошондой эле алардын электрдик жүгүн тезирээк заряддап, бошотушу керек. Вашингтон университетинин инженерлер тобу бул катуу өнөр жай жана колдонуу талаптарын канааттандыра турган суперконденсатор электрод материалдарын өндүрүү процессин ойлоп табышты деп ойлошот.

UW материал таануу жана инженерия боюнча профессордун ассистенти Питер Паузауски жетектеген изилдөөчүлөр 17-июлда Nature Microsystems жана Nanoengineering журналында алардын суперконденсатор электроддорун жана аны тез, арзан жасоо ыкмасын сүрөттөгөн макаласын жарыялашты. Алардын жаңы ыкмасы аэрогель деп аталган аз тыгыздыктагы матрицага кургатылган көмүртектерге бай материалдардан башталат. Бул аэрогель өз алдынча чийки электроддун ролун аткара алат, бирок Паузаускинин командасы анын сыйымдуулугун эки эседен ашык жогорулатты, бул анын электр зарядын сактоо жөндөмдүүлүгү.

Бул арзан баштапкы материалдар, жөнөкөйлөштүрүлгөн синтез процесси менен бирге өнөр жайлык колдонуудагы эки жалпы тоскоолдуктарды азайтат: наркы жана ылдамдыгы.

"Өнөр жайлык колдонмолордо убакыт - бул акча" деди Паузауски. «Биз бул электроддор үчүн баштапкы материалдарды жумаларда эмес, бир нече саатта жасай алабыз. Жана бул жогорку өндүрүмдүү суперконденсатор электроддорун жасоо үчүн синтездин баасын бир топ төмөндөтөт.

Натыйжалуу суперконденсатор электроддору көмүртектерге бай материалдардан синтезделет, алардын бетинин аянты да жогору. Акыркы талап өтө маанилүү, анткени суперконденсаторлор электр зарядын сактоонун уникалдуу ыкмасы. Кадимки батарея электр заряддарын анын ичиндеги химиялык реакциялар аркылуу сактаса, суперконденсатор анын ордуна оң жана терс заряддарды түздөн-түз бетинде сактап, бөлүп турат.

"Суперконденсаторлор батарейкаларга караганда бир топ ылдамыраак иштеши мүмкүн, анткени алар реакциянын ылдамдыгы же пайда боло турган кошумча продуктулар менен чектелбейт" деди биргелешип жетектөөчү жазуучу Мэтью Лим, UWнын Материал таануу жана инженерия бөлүмүнүн докторанты. "Суперконденсаторлор абдан тез заряддалып, разряддалышы мүмкүн, ошондуктан алар кубаттуулуктун бул импульстарын жеткирүүдө мыкты."

UW химиялык инженерия бөлүмүнүн докторанты, башкы автору Мэтью Крейн: "Алардын батареясы өтө жай болгон жөндөөлөрдөгү сонун колдонмолору бар" деди. "Батарея энергияга болгон талаптарды канааттандыруу үчүн өтө жай болгон учурларда, бетинин аянты жогору электрод менен суперконденсатор тез эле "тепкилеп" жана энергиянын тартыштыгын толтурушу мүмкүн."

Натыйжалуу электрод үчүн жогорку беттик аянтын алуу үчүн, команда аэрогельдерди колдонушкан. Булар суюк компоненттерин аба же башка газ менен алмаштыруу үчүн атайын кургатуу жана ысытуу процедурасынан өткөн нымдуу, гел сымал заттар. Бул ыкмалар гелдин 3-D түзүмүн сактап, ага жогорку беттик аянтты жана өтө төмөн тыгыздыкты берет. Бул Jell-Oнун бардык суусун кичирейтүүсүз алып салуу сыяктуу.

"Бир грамм аэрогельде бир футбол талаасындагыдай көп жер бар" деди Паузауски.

Кран формальдегидден жана башка көмүртектүү молекулалардан түзүлгөн, кайталануучу структуралык бирдиктери бар материалдан келген гел сымал полимерден аэрогельдерди жасады. Бул алардын аппараты, азыркы суперконденсатор электроддору сыяктуу, көмүртектерге бай материалдардан турушун камсыз кылды.

Буга чейин Лим гелге графенди (бир атомдун калыңдыгы бар көмүртектин баракты) кошуу натыйжасында пайда болгон аэрогельге суперконденсатордук касиетке ээ болгонун көрсөткөн. Бирок, Лим менен Крейн аэрогелдин иштешин жакшыртып, синтез процессин арзандатуу жана жеңилдетүү керек болчу.

Лимдин мурунку эксперименттеринде графенди кошуу аэрогелдин сыйымдуулугун жакшырткан эмес. Ошентип, алар аэрогельдерди же молибден дисульфидинин же вольфрам дисульфидинин жука барактары менен жүктөштү. Эки химиялык заттар бүгүнкү күндө өнөр жай майлоочу материалдарда кеңири колдонулат.

Окумуштуулар эки материалды тең жука барактарга бөлүү үчүн жогорку жыштыктагы үн толкундары менен иштетип, көмүртектерге бай гель матрицасына киргизишти. Алар толук жүктөлгөн нымдуу гелди эки саатка жетпеген убакытта синтездей алмак, ал эми башка ыкмалар көп күндү талап кылат.

Кургатылган, тыгыздыгы аз аэрогельди алгандан кийин, алар аны желимдер жана көмүртектерге бай башка материал менен бириктирип, өнөр жайлык “камырды” түзүштү, аны Лим жөн гана калыңдыгы бир нече миңден бир дюйм болгон барактарга жайып коё алат. Алар камырдан жарым дюймдук дисктерди кесип алып, материалдын суперконденсатордук электрод катары натыйжалуулугун текшерүү үчүн аларды жөнөкөй монета клеткасынын аккумулятордук корпустарына чогултушту.

Алардын электроддору тез, жөнөкөй жана оңой синтезделбестен, ошондой эле көмүртектерге бай аэрогелден кеминде 127 пайызга көбүрөөк сыйымдуулукка ээ болгон.

Лим менен Крейн молибден дисульфидинин же вольфрам дисульфидинин дагы жука барактары менен жүктөлгөн аэрогельдер – алардын калыңдыгы 10-100 атомго жакын болгон – мындан да жакшыраак иштешин күтүшөт. Бирок адегенде алар жүктөлгөн аэрогельдерди синтездөө тезирээк жана арзан болорун көрсөткүсү келген, бул өнөр жай өндүрүшү үчүн зарыл кадам. Жакшы жөндөө кийинки келет.

Команда бул аракеттер илимди суперконденсатор электроддорунун чөйрөсүнөн тышкары да өнүктүрүүгө жардам берет деп эсептейт. Алардын аэрогель менен суспензияланган молибден дисульфиди суутек өндүрүшүн катализдөө үчүн жетиштүү туруктуу бойдон калышы мүмкүн. Жана алардын аэрогельдерде материалдарды тез кармап калуу ыкмасы жогорку сыйымдуулуктагы батареяларга же катализге колдонулушу мүмкүн.