Суперкондензаторите се соодветно именуван тип на уред кој може да складира и испорачува енергија побрзо од конвенционалните батерии. Тие се во голема побарувачка за апликации, вклучувајќи електрични автомобили, безжични телекомуникации и ласери со голема моќност.

Но, за да се реализираат овие апликации, на суперкондензаторите им се потребни подобри електроди, кои го поврзуваат суперкондензаторот со уредите кои зависат од нивната енергија. Овие електроди треба да бидат и побрзи и поевтини за да се направат во голем обем и исто така да можат побрзо да го полнат и испуштаат своето електрично оптоварување. Тим од инженери од Универзитетот во Вашингтон мисли дека дошле до процес за производство на материјали за суперкондензаторни електроди кои ќе ги задоволат овие строги индустриски барања и барања за употреба.

Истражувачите, предводени од доцентот на UW по наука и инженерство за материјали, Питер Паузауски, објавија труд на 17 јули во списанието Nature Microsystems and Nanoengineering во кој ја опишуваат нивната суперкондензаторна електрода и брзиот, евтин начин на кој ја направиле. Нивниот нов метод започнува со материјали богати со јаглерод кои се исушени во матрица со мала густина наречена аерогел. Овој аергел сам по себе може да дејствува како сурова електрода, но тимот на Паузауски повеќе од двојно го зголеми неговиот капацитет, што е неговата способност да складира електричен полнеж.

Овие евтини почетни материјали, заедно со рационализиран процес на синтеза, минимизираат две вообичаени бариери за индустриска примена: цена и брзина.

„Во индустриските апликации, времето е пари“, рече Паузауски. „Почетните материјали за овие електроди можеме да ги направиме за часови, наместо за недели. И тоа може значително да ги намали трошоците за синтеза за правење суперкондензаторски електроди со високи перформанси“.

Ефективните суперкондензаторски електроди се синтетизираат од материјали богати со јаглерод кои имаат и голема површина. Последното барање е критично поради уникатниот начин на кој суперкондензаторите го складираат електричното полнење. Додека конвенционалната батерија складира електрични полнежи преку хемиските реакции што се случуваат во неа, суперкондензаторот наместо тоа складира и одвојува позитивни и негативни полнежи директно на неговата површина.

„Суперкондензаторите можат да дејствуваат многу побрзо од батериите бидејќи не се ограничени од брзината на реакцијата или нуспроизводите што можат да се формираат“, рече ко-водечкиот автор Метју Лим, докторант на UW на Одделот за наука и инженерство за материјали. „Суперкондензаторите можат многу брзо да се полнат и испуштаат, поради што се одлични во давањето на овие „пулсирања“ на моќ.

„Тие имаат одлични апликации во поставките каде што батеријата сама по себе е премногу бавна“, рече колегата водечки автор Метју Крејн, докторант на Одделот за хемиско инженерство на UW. „Во моменти кога батеријата е премногу бавна за да ги задоволи потребите за енергија, суперкондензатор со електрода со висока површина би можел брзо да „влезе“ и да го надомести енергетскиот дефицит“.

За да се добие високата површина за ефикасна електрода, тимот користел аерогели. Тоа се влажни супстанции слични на гел кои поминале низ посебен третман на сушење и загревање за да ги заменат нивните течни компоненти со воздух или друг гас. Овие методи ја зачувуваат 3-Д структурата на гелот, давајќи му голема површина и исклучително мала густина. Тоа е како да ја извадите целата вода од Jell-O без да се собира.

„Еден грам аергел содржи приближно онолку површина колку едно фудбалско игралиште“, рече Паузауски.

Крејн направи аерогели од полимер сличен на гел, материјал со повторливи структурни единици, создаден од формалдехид и други молекули базирани на јаглерод. Ова осигури дека нивниот уред, како и денешните електроди со суперкондензатор, ќе се состои од материјали богати со јаглерод.

Претходно, Лим покажа дека додавањето графен - кој е лист од јаглерод дебел само еден атом - на гелот го надополнил добиениот аерогел со својства на суперкондензатор. Но, Лим и Крејн требаше да ги подобрат перформансите на аерогелот и да го направат процесот на синтеза поевтин и полесен.

Во претходните експерименти на Лим, додавањето графен не го подобри капацитетот на аерогелот. Така, наместо тоа, тие натоваруваа аерогели со тенки листови или од молибден дисулфид или од волфрам дисулфид. Двете хемикалии се користат нашироко денес во индустриски лубриканти.

Истражувачите ги третирале двата материјали со звучни бранови со висока фреквенција за да ги разделат на тенки листови и ги вградиле во матрицата на гел богата со јаглерод. Тие би можеле да синтетизираат целосно наполнет влажен гел за помалку од два часа, додека за другите методи би биле потребни многу денови.

Откако го добија исушениот аерогел со мала густина, го комбинираа со лепила и друг материјал богат со јаглерод за да создадат индустриско „тесто“, кое Лим едноставно можеше да го расука на листови дебели само неколку илјадити дел од инч. Тие исечеа дискови од половина инчи од тестото и ги составија во едноставни куќишта на батерии со монети за да ја тестираат ефикасноста на материјалот како суперкондензаторна електрода.

Не само што нивните електроди беа брзи, едноставни и лесни за синтеза, туку тие исто така имаа капацитет за најмалку 127 проценти поголем од само аергелот богат со јаглерод.

Лим и Крејн очекуваат дека аерогелите натоварени со уште потенки листови од молибден дисулфид или волфрам дисулфид - нивните беа дебели од околу 10 до 100 атоми - ќе покажат уште подобри перформанси. Но, прво, тие сакаа да покажат дека натоварените аерогели ќе бидат побрзи и поевтини за синтеза, што е неопходен чекор за индустриското производство. Следно доаѓа дотерувањето.

Тимот верува дека овие напори можат да помогнат во унапредување на науката дури и надвор од доменот на суперкондензаторските електроди. Нивниот молибден дисулфид суспендиран со аерогел може да остане доволно стабилен за да го катализира производството на водород. И нивниот метод за брзо заробување на материјалите во аерогелите може да се примени на батерии со висок капацитет или катализа.