പരമ്പരാഗത ബാറ്ററികളേക്കാൾ വേഗത്തിൽ ഊർജം സംഭരിക്കാനും വിതരണം ചെയ്യാനും കഴിയുന്ന ഒരു തരം ഉപകരണമാണ് സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്ററുകൾ. ഇലക്ട്രിക് കാറുകൾ, വയർലെസ് ടെലികമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ്, ഉയർന്ന പവർ ലേസറുകൾ എന്നിവയുൾപ്പെടെയുള്ള ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി അവയ്ക്ക് ആവശ്യക്കാരേറെയാണ്.

എന്നാൽ ഈ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ സാക്ഷാത്കരിക്കുന്നതിന്, സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററുകൾക്ക് മികച്ച ഇലക്ട്രോഡുകൾ ആവശ്യമാണ്, അത് സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററിനെ അവയുടെ ഊർജ്ജത്തെ ആശ്രയിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങളുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുന്നു. ഈ ഇലക്‌ട്രോഡുകൾ വലിയ തോതിൽ നിർമ്മിക്കാൻ വേഗത്തിലും വിലകുറഞ്ഞതായിരിക്കണം കൂടാതെ അവയുടെ വൈദ്യുത ലോഡ് വേഗത്തിൽ ചാർജ് ചെയ്യാനും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യാനും കഴിയും. ഈ കർശനമായ വ്യാവസായിക, ഉപയോഗ ആവശ്യങ്ങൾ നിറവേറ്റുന്ന സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു പ്രക്രിയയുമായി തങ്ങൾ എത്തിയതായി വാഷിംഗ്ടൺ സർവകലാശാലയിലെ ഒരു സംഘം എഞ്ചിനീയർമാർ കരുതുന്നു.

UW അസിസ്റ്റൻ്റ് പ്രൊഫസർ ഓഫ് മെറ്റീരിയൽ സയൻസ് ആൻഡ് എഞ്ചിനീയറിംഗ് പീറ്റർ പൗസോസ്‌കിയുടെ നേതൃത്വത്തിലുള്ള ഗവേഷകർ, അവരുടെ സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്‌ട്രോഡും വേഗമേറിയതും ചെലവുകുറഞ്ഞതുമായ രീതിയെ വിവരിക്കുന്ന ഒരു പ്രബന്ധം ജൂലൈ 17-ന് നേച്ചർ മൈക്രോസിസ്റ്റംസ് ആൻഡ് നാനോ എഞ്ചിനീയറിംഗ് ജേണലിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു. അവരുടെ പുതിയ രീതി ആരംഭിക്കുന്നത് കാർബൺ സമ്പുഷ്ടമായ വസ്തുക്കളിൽ നിന്നാണ്, അത് എയറോജെൽ എന്ന കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രത മാട്രിക്സിലേക്ക് ഉണക്കിയെടുക്കുന്നു. ഈ എയർജെലിന് സ്വന്തമായി ഒരു അസംസ്കൃത ഇലക്ട്രോഡായി പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും, പക്ഷേ പൗസോസ്കിയുടെ ടീം അതിൻ്റെ കപ്പാസിറ്റൻസ് ഇരട്ടിയിലധികം വർദ്ധിപ്പിച്ചു, അതായത് വൈദ്യുത ചാർജ് സംഭരിക്കാനുള്ള കഴിവ്.

ഈ വിലകുറഞ്ഞ ആരംഭ സാമഗ്രികൾ, കാര്യക്ഷമമായ സിന്തസിസ് പ്രക്രിയയുമായി ചേർന്ന്, വ്യാവസായിക പ്രയോഗത്തിനുള്ള രണ്ട് പൊതു തടസ്സങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നു: വിലയും വേഗതയും.

"വ്യാവസായിക ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ, സമയം പണമാണ്," പൗസോസ്കി പറഞ്ഞു. “ഞങ്ങൾക്ക് ഈ ഇലക്‌ട്രോഡുകൾക്കുള്ള പ്രാരംഭ സാമഗ്രികൾ ആഴ്ചകളേക്കാൾ മണിക്കൂറുകൾക്കുള്ളിൽ നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും. ഉയർന്ന പ്രകടനമുള്ള സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്ട്രോഡുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിനുള്ള സിന്തസിസ് ചെലവ് അത് ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കും.

ഉയർന്ന ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണമുള്ള കാർബൺ സമ്പുഷ്ടമായ വസ്തുക്കളിൽ നിന്നാണ് ഫലപ്രദമായ സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്ട്രോഡുകൾ സമന്വയിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്. സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററുകൾ വൈദ്യുത ചാർജ് സംഭരിക്കുന്ന സവിശേഷമായ രീതി കാരണം പിന്നീടുള്ള ആവശ്യകത നിർണായകമാണ്. ഒരു പരമ്പരാഗത ബാറ്ററി അതിനുള്ളിൽ സംഭവിക്കുന്ന രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിലൂടെ വൈദ്യുത ചാർജുകൾ സംഭരിക്കുന്നു, പകരം ഒരു സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ അതിൻ്റെ ഉപരിതലത്തിൽ നേരിട്ട് പോസിറ്റീവ്, നെഗറ്റീവ് ചാർജുകൾ സംഭരിക്കുകയും വേർതിരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

"സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററുകൾക്ക് ബാറ്ററികളേക്കാൾ വേഗത്തിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയും, കാരണം അവ പ്രതികരണത്തിൻ്റെ വേഗതയോ രൂപപ്പെടുന്ന ഉപോൽപ്പന്നങ്ങളോ കൊണ്ട് പരിമിതപ്പെടുത്തിയിട്ടില്ല," മെറ്റീരിയൽ സയൻസ് & എഞ്ചിനീയറിംഗ് വകുപ്പിലെ യുഡബ്ല്യു ഡോക്ടറൽ വിദ്യാർത്ഥിയായ കോ-ലീഡ് എഴുത്തുകാരൻ മാത്യു ലിം പറഞ്ഞു. "സൂപ്പർകപ്പാസിറ്ററുകൾക്ക് വളരെ വേഗത്തിൽ ചാർജ് ചെയ്യാനും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യാനും കഴിയും, അതിനാലാണ് ഈ 'പൾസ്' പവർ നൽകുന്നതിൽ അവ മികച്ചത്."

"ബാറ്ററി വളരെ മന്ദഗതിയിലാകുന്ന ക്രമീകരണങ്ങളിൽ അവർക്ക് മികച്ച ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ ഉണ്ട്," UW ഡിപ്പാർട്ട്മെൻ്റ് ഓഫ് കെമിക്കൽ എഞ്ചിനീയറിംഗിലെ ഡോക്ടറൽ വിദ്യാർത്ഥിയായ സഹ പ്രധാന എഴുത്തുകാരൻ മാത്യു ക്രെയിൻ പറഞ്ഞു. "ഊർജ്ജ ആവശ്യകതകൾ നിറവേറ്റാൻ ബാറ്ററി വളരെ മന്ദഗതിയിലാകുന്ന നിമിഷങ്ങളിൽ, ഉയർന്ന ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണമുള്ള ഇലക്ട്രോഡുള്ള ഒരു സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്ററിന് പെട്ടെന്ന് 'കിക്ക്' ചെയ്യാനും ഊർജ്ജ കമ്മി നികത്താനും കഴിയും."

കാര്യക്ഷമമായ ഇലക്‌ട്രോഡിനായി ഉയർന്ന ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം ലഭിക്കുന്നതിന്, ടീം എയറോജലുകൾ ഉപയോഗിച്ചു. ഇവ നനഞ്ഞ, ജെൽ പോലെയുള്ള പദാർത്ഥങ്ങളാണ്, അവയുടെ ദ്രാവക ഘടകങ്ങളെ വായു അല്ലെങ്കിൽ മറ്റൊരു വാതകം ഉപയോഗിച്ച് മാറ്റി ഉണക്കി ചൂടാക്കി പ്രത്യേക ചികിത്സയിലൂടെ കടന്നുപോയി. ഈ രീതികൾ ജെല്ലിൻ്റെ 3-D ഘടനയെ സംരക്ഷിക്കുന്നു, ഇത് ഉയർന്ന ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണവും വളരെ കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രതയും നൽകുന്നു. ഇത് ജെൽ-ഒയിൽ നിന്നുള്ള മുഴുവൻ വെള്ളവും ചുരുങ്ങാതെ നീക്കം ചെയ്യുന്നതുപോലെയാണ്.

“ഒരു ഗ്രാം എയർജെൽ ഒരു ഫുട്ബോൾ മൈതാനത്തിൻ്റെ അത്രയും ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം ഉൾക്കൊള്ളുന്നു,” പൗസോസ്കി പറഞ്ഞു.

ഫോർമാൽഡിഹൈഡിൽ നിന്നും മറ്റ് കാർബൺ അധിഷ്ഠിത തന്മാത്രകളിൽ നിന്നും സൃഷ്ടിച്ച ആവർത്തിച്ചുള്ള ഘടനാപരമായ യൂണിറ്റുകളുള്ള, ജെൽ പോലുള്ള പോളിമറിൽ നിന്നാണ് ക്രെയിൻ എയറോജലുകൾ നിർമ്മിച്ചത്. ഇന്നത്തെ സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്‌ട്രോഡുകൾ പോലെ അവരുടെ ഉപകരണവും കാർബൺ സമ്പുഷ്ടമായ പദാർത്ഥങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നുവെന്ന് ഇത് ഉറപ്പാക്കി.

മുമ്പ്, ഒരു ആറ്റം മാത്രം കട്ടിയുള്ള കാർബണിൻ്റെ ഒരു ഷീറ്റായ ഗ്രാഫീൻ ജെല്ലിലേക്ക് ചേർക്കുന്നത്, തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന എയർജെൽ സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഗുണങ്ങളാൽ ഉൾക്കൊള്ളുന്നുവെന്ന് ലിം തെളിയിച്ചു. പക്ഷേ, എയറോജലിൻ്റെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താനും സിന്തസിസ് പ്രക്രിയ വിലകുറഞ്ഞതും എളുപ്പവുമാക്കാനും ലിംക്കും ക്രെയിനിനും ആവശ്യമായിരുന്നു.

ലിമ്മിൻ്റെ മുൻ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ, ഗ്രാഫീൻ ചേർക്കുന്നത് എയറോജലിൻ്റെ കപ്പാസിറ്റൻസ് മെച്ചപ്പെടുത്തിയിരുന്നില്ല. അതിനാൽ അവർ പകരം മോളിബ്ഡിനം ഡൈസൾഫൈഡിൻ്റെയോ ടങ്സ്റ്റൺ ഡൈസൾഫൈഡിൻ്റെയോ നേർത്ത ഷീറ്റുകൾ ഉപയോഗിച്ച് എയറോജലുകൾ കയറ്റി. രണ്ട് രാസവസ്തുക്കളും ഇന്ന് വ്യാവസായിക ലൂബ്രിക്കൻ്റുകളിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഗവേഷകർ രണ്ട് വസ്തുക്കളെയും ഉയർന്ന ആവൃത്തിയിലുള്ള ശബ്ദ തരംഗങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് നേർത്ത ഷീറ്റുകളായി വിഭജിക്കുകയും കാർബൺ സമ്പന്നമായ ജെൽ മാട്രിക്സിൽ ഉൾപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്തു. രണ്ട് മണിക്കൂറിനുള്ളിൽ പൂർണ്ണമായി ലോഡുചെയ്‌ത വെറ്റ് ജെൽ സമന്വയിപ്പിക്കാൻ അവർക്ക് കഴിയും, മറ്റ് രീതികൾക്ക് ധാരാളം ദിവസങ്ങൾ എടുക്കും.

ഉണങ്ങിയതും സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞതുമായ എയറോജെൽ ലഭിച്ച ശേഷം, അവർ അതിനെ പശകളും കാർബൺ സമ്പുഷ്ടമായ മറ്റൊരു വസ്തുക്കളും ചേർത്ത് ഒരു വ്യാവസായിക "മാവ്" ഉണ്ടാക്കി, അത് ലിംക്ക് ഒരു ഇഞ്ച് കട്ടിയുള്ള ഷീറ്റുകളിലേക്ക് ഉരുട്ടാൻ കഴിയും. ഒരു സൂപ്പർ കപ്പാസിറ്റർ ഇലക്‌ട്രോഡ് എന്ന നിലയിൽ മെറ്റീരിയലിൻ്റെ ഫലപ്രാപ്തി പരിശോധിക്കുന്നതിനായി അവർ കുഴെച്ചതുമുതൽ അര ഇഞ്ച് ഡിസ്‌കുകൾ മുറിച്ച് ലളിതമായ കോയിൻ സെൽ ബാറ്ററി കെയ്‌സിംഗുകളായി കൂട്ടിച്ചേർക്കുന്നു.

അവയുടെ ഇലക്‌ട്രോഡുകൾ വേഗതയേറിയതും ലളിതവും സമന്വയിപ്പിക്കാൻ എളുപ്പവുമായിരുന്നു എന്ന് മാത്രമല്ല, കാർബൺ സമ്പുഷ്ടമായ എയർജെലിനേക്കാൾ 127 ശതമാനമെങ്കിലും കൂടുതലുള്ള കപ്പാസിറ്റൻസ് അവയ്ക്ക് ഉണ്ടായിരുന്നു.

10 മുതൽ 100 ​​വരെ ആറ്റങ്ങൾ വരെ കട്ടിയുള്ള മോളിബ്ഡിനം ഡൈസൾഫൈഡിൻ്റെയോ ടങ്സ്റ്റൺ ഡൈസൾഫൈഡിൻ്റെയോ കനം കുറഞ്ഞ ഷീറ്റുകൾ ഘടിപ്പിച്ച എയറോജലുകൾ ഇതിലും മികച്ച പ്രകടനം കാണിക്കുമെന്ന് ലിം, ക്രെയിൻ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. എന്നാൽ ആദ്യം, വ്യാവസായിക ഉൽപ്പാദനത്തിന് ആവശ്യമായ ഘട്ടമായ, ലോഡഡ് എയറോജലുകൾ വേഗത്തിലും വിലകുറഞ്ഞതിലും സമന്വയിപ്പിക്കുമെന്ന് കാണിക്കാൻ അവർ ആഗ്രഹിച്ചു. ഫൈൻ ട്യൂണിംഗ് അടുത്തതായി വരുന്നു.

സൂപ്പർകപ്പാസിറ്റർ ഇലക്‌ട്രോഡുകളുടെ മണ്ഡലത്തിന് പുറത്ത് പോലും ശാസ്ത്രത്തെ മുന്നോട്ട് കൊണ്ടുപോകാൻ ഈ ശ്രമങ്ങൾക്ക് കഴിയുമെന്ന് സംഘം വിശ്വസിക്കുന്നു. അവയുടെ എയറോജെൽ-സസ്പെൻഡ് ചെയ്ത മോളിബ്ഡിനം ഡൈസൾഫൈഡ് ഹൈഡ്രജൻ ഉൽപ്പാദനം ഉത്തേജിപ്പിക്കുന്നതിന് മതിയായ സ്ഥിരത നിലനിർത്തിയേക്കാം. എയറോജലുകളിൽ വസ്തുക്കളെ വേഗത്തിൽ കുടുക്കാനുള്ള അവരുടെ രീതി ഉയർന്ന കപ്പാസിറ്റൻസ് ബാറ്ററികളിലോ കാറ്റാലിസിലോ പ്രയോഗിക്കാവുന്നതാണ്.