Superkondensatoriai yra taikliai pavadintas prietaiso tipas, galintis kaupti ir tiekti energiją greičiau nei įprasti akumuliatoriai. Jie turi didelę paklausą tokioms programoms kaip elektromobiliai, belaidės telekomunikacijos ir didelės galios lazeriai.

Tačiau norint realizuoti šias programas, superkondensatoriams reikia geresnių elektrodų, jungiančių superkondensatorių su įrenginiais, kurie priklauso nuo jų energijos. Šiuos elektrodus reikia greičiau ir pigiau pagaminti dideliu mastu, taip pat greičiau įkrauti ir iškrauti elektros apkrovą. Vašingtono universiteto inžinierių komanda mano, kad jie sugalvojo superkondensatorių elektrodų medžiagų gamybos procesą, kuris atitiktų šiuos griežtus pramonės ir naudojimo reikalavimus.

Mokslininkai, vadovaujami UW medžiagų mokslo ir inžinerijos profesoriaus Peterio Pauzauskie, liepos 17 d. žurnale Nature Microsystems and Nanoengineering paskelbė straipsnį, kuriame aprašo jų superkondensatorių elektrodą ir greitą bei nebrangų jo pagaminimo būdą. Jų naujas metodas prasideda nuo anglies turinčių medžiagų, kurios buvo išdžiovintos į mažo tankio matricą, vadinamą aerogeliu. Šis aerogelis pats savaime gali veikti kaip neapdorotas elektrodas, tačiau Pauzauskiečio komanda daugiau nei dvigubai padidino savo talpą, ty gebėjimą kaupti elektros krūvį.

Šios nebrangios pradinės medžiagos, kartu su supaprastintu sintezės procesu, sumažina dvi įprastas kliūtis pramoniniam pritaikymui: kainą ir greitį.

„Pramonėje laikas yra pinigai“, – sakė Pauzauskienė. „Šių elektrodų pradines medžiagas galime pagaminti per valandas, o ne savaites. Ir tai gali žymiai sumažinti sintezės išlaidas gaminant didelio našumo superkondensatorių elektrodus.

Veiksmingi superkondensatorių elektrodai yra sintetinami iš daug anglies turinčių medžiagų, kurios taip pat turi didelį paviršiaus plotą. Pastarasis reikalavimas yra labai svarbus dėl unikalaus būdo, kuriuo superkondensatoriai kaupia elektros krūvį. Nors įprasta baterija kaupia elektros krūvius per joje vykstančias chemines reakcijas, superkondensatorius kaupia ir atskiria teigiamus ir neigiamus krūvius tiesiai ant savo paviršiaus.

„Superkondensatoriai gali veikti daug greičiau nei baterijos, nes jų neriboja reakcijos greitis ar galintys susidaryti šalutiniai produktai“, – sakė vienas iš pagrindinių autorių Matthew Limas, UW Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros doktorantas. „Superkondensatoriai gali labai greitai įkrauti ir išsikrauti, todėl jie puikiai perduoda šiuos galios impulsus.

„Jie turi puikių pritaikymų nustatymuose, kur pati baterija yra per lėta“, - sakė kitas pagrindinis autorius Matthew Crane'as, UW Chemijos inžinerijos katedros doktorantas. „Tomis akimirkomis, kai baterija yra per lėta, kad patenkintų energijos poreikius, superkondensatorius su didelio paviršiaus ploto elektrodu gali greitai įsijungti ir kompensuoti energijos trūkumą.

Kad gautų didelį efektyvaus elektrodo paviršiaus plotą, komanda naudojo aerogelius. Tai šlapios, gelį primenančios medžiagos, kurios buvo specialiai išdžiovintos ir kaitinamos, kad jų skysti komponentai būtų pakeisti oru ar kitomis dujomis. Šie metodai išsaugo 3-D gelio struktūrą, suteikia jai didelį paviršiaus plotą ir itin mažą tankį. Tai tarsi viso vandens pašalinimas iš Jell-O nesutraukiant.

"Viename grame aerogelio yra maždaug tiek pat paviršiaus ploto, kiek vienoje futbolo aikštėje", - sakė Pauzauskienė.

Crane pagamino aerogelius iš gelio pavidalo polimero – medžiagos su pasikartojančiais struktūriniais vienetais, sukurtos iš formaldehido ir kitų anglies pagrindu pagamintų molekulių. Tai užtikrino, kad jų prietaisas, kaip ir šiandieniniai superkondensatorių elektrodai, būtų sudarytas iš medžiagų, turinčių daug anglies.

Anksčiau Limas įrodė, kad į gelį pridėjus grafeno, kuris yra tik vieno atomo storio anglies lakštas, gautas aerogelis buvo prisotintas superkondensatoriaus savybėmis. Tačiau Lim ir Crane reikėjo pagerinti aerogelio veikimą ir padaryti sintezės procesą pigesnį bei lengvesnį.

Ankstesniuose Limo eksperimentuose grafeno pridėjimas nepagerino aerogelio talpos. Taigi jie vietoj to užpildė aerogelius plonais molibdeno disulfido arba volframo disulfido lakštais. Abi cheminės medžiagos šiandien plačiai naudojamos pramoniniuose tepaluose.

Tyrėjai apdorojo abi medžiagas aukšto dažnio garso bangomis, kad suskaidytų jas į plonus lakštus ir įtrauktų į anglies turinčią gelio matricą. Visiškai užpildytą šlapią gelį jie gali susintetinti per mažiau nei dvi valandas, o kiti metodai užtruktų daug dienų.

Gavę išdžiovintą, mažo tankio aerogelį, jie sujungė jį su klijais ir kita medžiaga, kurioje gausu anglies, kad sukurtų pramoninę „tešlą“, kurią Lim galėtų tiesiog iškočioti į vos kelių tūkstantųjų colių storio lakštus. Jie iš tešlos išpjaustė pusės colio diskus ir surinko juos į paprastus monetų elementų baterijų korpusus, kad patikrintų medžiagos, kaip superkondensatoriaus elektrodo, efektyvumą.

Jų elektrodai buvo ne tik greiti, paprasti ir lengvai susintetinami, bet ir jų talpa buvo bent 127 procentais didesnė nei vien anglies turinčio aerogelio.

Limas ir Crane'as tikisi, kad aerogeliai, užpildyti dar plonesniais molibdeno disulfido arba volframo disulfido lakštais (jų storis buvo apie 10–100 atomų), parodys dar geresnį veikimą. Tačiau pirmiausia jie norėjo parodyti, kad pakrautus aerogelius būtų greičiau ir pigiau sintetinti – tai būtinas žingsnis pramoninei gamybai. Toliau atliekamas koregavimas.

Komanda mano, kad šios pastangos gali padėti tobulinti mokslą net už superkondensatorių elektrodų srities. Jų aerogele suspenduotas molibdeno disulfidas gali išlikti pakankamai stabilus, kad katalizuotų vandenilio gamybą. Ir jų metodas greitai sugauti medžiagas aerogeliuose galėtų būti pritaikytas didelės talpos baterijoms arba katalizei.