Superkondensatori ir trāpīgi nosaukts ierīču veids, kas var uzglabāt un piegādāt enerģiju ātrāk nekā parastie akumulatori. Tie ir ļoti pieprasīti lietojumos, tostarp elektriskajās automašīnās, bezvadu telekomunikācijās un lieljaudas lāzeros.

Bet, lai realizētu šos lietojumus, superkondensatoriem ir nepieciešami labāki elektrodi, kas savieno superkondensatoru ar ierīcēm, kas ir atkarīgas no to enerģijas. Šiem elektrodiem ir jābūt gan ātrākiem, gan lētākiem, lai tos izgatavotu plašā mērogā, kā arī tie būtu jāspēj ātrāk uzlādēt un izlādēt elektrisko slodzi. Vašingtonas universitātes inženieru komanda uzskata, ka viņi ir izstrādājuši superkondensatoru elektrodu materiālu ražošanas procesu, kas atbildīs šīm stingrajām rūpniecības un lietošanas prasībām.

Pētnieki, kuru vadīja UW materiālu zinātnes un inženierzinātņu docents Pīters Pauzauskis, 17. jūlijā publicēja rakstu žurnālā Nature Microsystems and Nanoengineering, aprakstot savu superkondensatora elektrodu un ātro un lēto tā izgatavošanas veidu. Viņu jaunā metode sākas ar ar oglekli bagātiem materiāliem, kas ir žāvēti zema blīvuma matricā, ko sauc par aerogelu. Šis aerogels pats par sevi var darboties kā neapstrādāts elektrods, bet Pauzauskie komanda vairāk nekā divas reizes palielināja savu kapacitāti, kas ir tā spēja uzglabāt elektrisko lādiņu.

Šie lētie izejmateriāli kopā ar racionalizētu sintēzes procesu samazina divus kopīgus šķēršļus rūpnieciskai izmantošanai: izmaksas un ātrumu.

"Rūpnieciskos lietojumos laiks ir nauda," sacīja Pauzauskie. “Mēs varam izgatavot izejmateriālus šiem elektrodiem stundās, nevis nedēļās. Un tas var ievērojami samazināt sintēzes izmaksas augstas veiktspējas superkondensatoru elektrodu izgatavošanai.

Efektīvi superkondensatoru elektrodi tiek sintezēti no ar oglekli bagātiem materiāliem, kuriem ir arī liels virsmas laukums. Pēdējā prasība ir kritiska, jo ir unikāls veids, kā superkondensatori uzglabā elektrisko lādiņu. Kamēr parastais akumulators uzglabā elektriskos lādiņus, izmantojot tajā notiekošās ķīmiskās reakcijas, superkondensators tā vietā uzglabā un atdala pozitīvos un negatīvos lādiņus tieši uz tā virsmas.

"Superkondensatori var darboties daudz ātrāk nekā akumulatori, jo tos neierobežo reakcijas ātrums vai blakusprodukti, kas var veidoties," sacīja līdzautors Metjū Lims, UW Materiālzinātnes un inženierzinātņu katedras doktorants. “Superkondensatori var ļoti ātri uzlādēt un izlādēties, tāpēc tie lieliski spēj nodrošināt šos jaudas “impulsus”.

"Viņiem ir lieliskas lietojumprogrammas iestatījumos, kur akumulators pats par sevi ir pārāk lēns," sacīja vadošais autors Metjū Kreins, UW Ķīmijas inženierijas katedras doktorants. "Brīžos, kad akumulators ir pārāk lēns, lai apmierinātu enerģijas pieprasījumu, superkondensators ar lielu virsmas laukumu elektrodu var ātri "ieslēgties" un kompensēt enerģijas deficītu."

Lai iegūtu augstu virsmas laukumu efektīvam elektrodam, komanda izmantoja aerogelus. Tās ir mitras, želejveida vielas, kas ir izgājušas cauri īpašai žāvēšanai un karsēšanai, lai šķidrās sastāvdaļas aizstātu ar gaisu vai citu gāzi. Šīs metodes saglabā gēla 3-D struktūru, piešķirot tam lielu virsmas laukumu un ārkārtīgi zemu blīvumu. Tas ir tāpat kā visa ūdens izņemšana no Jell-O bez saraušanās.

"Viens grams aerogela satur apmēram tikpat lielu virsmas laukumu kā viens futbola laukums," sacīja Pauzauskie.

Crane izgatavoja aerogelus no želejveida polimēra, materiāla ar atkārtotām struktūrvienībām, kas izveidots no formaldehīda un citām oglekļa molekulām. Tas nodrošināja, ka viņu ierīce, tāpat kā mūsdienu superkondensatoru elektrodi, sastāvēs no materiāliem, kas bagāti ar oglekli.

Iepriekš Lims pierādīja, ka grafēna, kas ir tikai viena atoma bieza oglekļa loksne, pievienošana gēlam piesūcināja iegūto aerogelu ar superkondensatora īpašībām. Taču Lim un Crane bija jāuzlabo aerogēla veiktspēja un jāpadara sintēzes process lētāks un vienkāršāks.

Lima iepriekšējos eksperimentos grafēna pievienošana nebija uzlabojusi aerogela kapacitāti. Tāpēc viņi ievietoja aerogelus ar plānām molibdēna disulfīda vai volframa disulfīda loksnēm. Abas ķīmiskās vielas mūsdienās plaši izmanto rūpnieciskajās smērvielās.

Pētnieki apstrādāja abus materiālus ar augstfrekvences skaņas viļņiem, lai tos sadalītu plānās loksnēs, un iekļāva tos ar oglekli bagātajā gēla matricā. Viņi varētu sintezēt pilnībā noslogotu mitru želeju mazāk nekā divās stundās, savukārt citām metodēm būtu nepieciešamas daudzas dienas.

Pēc žāvētā, zema blīvuma aerogela iegūšanas viņi to apvienoja ar līmēm un citu ar oglekli bagātu materiālu, lai izveidotu rūpniecisku “mīklu”, kuru Lims varēja vienkārši izrullēt loksnēs, kuru biezums bija tikai dažas tūkstošdaļas collas. Viņi no mīklas izgrieza puscollas diskus un salika tos vienkāršos monētu bateriju apvalkos, lai pārbaudītu materiāla kā superkondensatora elektroda efektivitāti.

Viņu elektrodi bija ne tikai ātri, vienkārši un viegli sintezējami, bet arī tiem bija vismaz par 127 procentiem lielāka kapacitāte nekā tikai ar oglekli bagātajam aerogelam.

Lims un Kreins sagaida, ka aerogēli, kas piekrauti ar vēl plānākām molibdēna disulfīda vai volframa disulfīda loksnēm — to biezums bija aptuveni 10 līdz 100 atomi —, uzrādīs vēl labāku veiktspēju. Bet vispirms viņi vēlējās parādīt, ka ielādētos aerogelus būtu ātrāk un lētāk sintezēt, kas ir nepieciešams solis rūpnieciskai ražošanai. Tālāk seko precizēšana.

Komanda uzskata, ka šie centieni var palīdzēt virzīt zinātni pat ārpus superkondensatoru elektrodu jomas. Viņu ar aerogelu suspendētais molibdēna disulfīds var palikt pietiekami stabils, lai katalizētu ūdeņraža ražošanu. Un to metodi, lai ātri notvertu materiālus aerogēlos, varētu izmantot augstas kapacitātes akumulatoriem vai katalīzei.