Суперконденсаторууд нь ердийн батерейг бодвол эрчим хүчийг хурдан хуримтлуулж, түгээх чадвартай төхөөрөмж юм. Эдгээр нь цахилгаан машин, утасгүй харилцаа холбоо, өндөр хүчин чадалтай лазер зэрэг хэрэглээнд эрэлт ихтэй байдаг.

Гэхдээ эдгээр хэрэглээг хэрэгжүүлэхийн тулд суперконденсаторуудад илүү сайн электродууд хэрэгтэй бөгөөд энэ нь суперконденсаторыг эрчим хүчнээс хамаардаг төхөөрөмжүүдтэй холбодог. Эдгээр электродуудыг өргөн цар хүрээтэй үйлдвэрлэхэд илүү хурдан бөгөөд хямд байхаас гадна цахилгаан ачааллаа хурдан цэнэглэж, цэнэглэх чадвартай байх шаардлагатай. Вашингтоны Их Сургуулийн инженерүүдийн баг үйлдвэрлэлийн болон хэрэглээний эдгээр хатуу шаардлагыг хангахуйц суперконденсатор электродын материалыг үйлдвэрлэх процессыг боловсруулсан гэж бодож байна.

UW-ийн материал судлал, инженерчлэлийн тэнхимийн туслах профессор Питер Паузаски тэргүүтэй судлаачид 7-р сарын 17-нд Nature Microsystems and Nanoengineering сэтгүүлд өөрсдийн суперконденсатор электрод болон үүнийг хурдан, хямд аргаар хэрхэн яаж хийсэн талаар өгүүлсэн нийтлэлээ нийтэлжээ. Тэдний шинэ арга нь нүүрстөрөгчөөр баялаг материалыг аэрогель хэмээх бага нягтралтай матрицад хатаасанаас эхэлдэг. Энэхүү аэрогель нь дангаараа түүхий электродын үүрэг гүйцэтгэх чадвартай боловч Паузаускигийн баг цахилгаан цэнэгийг хуримтлуулах багтаамжаа хоёр дахин нэмэгдүүлсэн.

Эдгээр хямд анхны материалууд нь хялбаршуулсан синтезийн үйл явцтай хослуулан үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд саад болох хоёр нийтлэг саад тотгорыг багасгадаг: зардал ба хурд.

"Үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд цаг хугацаа бол мөнгө" гэж Паузаски хэлэв. “Бид эдгээр электродуудын эхлэл материалыг долоо хоногоор биш хэдэн цагийн дотор хийж чадна. Энэ нь өндөр хүчин чадалтай суперконденсатор электрод үйлдвэрлэх синтезийн зардлыг мэдэгдэхүйц бууруулж чадна."

Үр дүнтэй суперконденсатор электродууд нь өндөр гадаргуутай нүүрстөрөгчөөр баялаг материалаас нийлэгждэг. Сүүлчийн шаардлага нь суперконденсаторууд цахилгаан цэнэгийг хуримтлуулдаг өвөрмөц арга учраас маш чухал юм. Ердийн батерей нь түүний доторх химийн урвалаар цахилгаан цэнэгийг хуримтлуулдаг бол суперконденсатор нь эерэг ба сөрөг цэнэгийг гадаргуу дээрээ шууд хадгалж, ялгадаг.

"Супер конденсаторууд нь батерейгаас хамаагүй хурдан ажилладаг, учир нь тэдгээр нь үүсэх урвалын хурд эсвэл дагалдах бүтээгдэхүүнээр хязгаарлагдахгүй" гэж UW-ийн Материалын шинжлэх ухаан, инженерчлэлийн тэнхимийн докторын оюутан Маттью Лим хэлэв. "Супер конденсаторууд маш хурдан цэнэглэгдэж, цэнэггүй болдог тул эдгээр "импульс"-ийг дамжуулахдаа гайхалтай байдаг."

UW-ийн Химийн Инженерийн тэнхимийн докторын оюутан Мэттью Крейн "Тэд батерей нь өөрөө хэтэрхий удаан байдаг нөхцөлд маш сайн програмуудтай" гэж ахлах зохиолч Маттью Крейн хэлэв. "Батерей нь эрчим хүчний хэрэгцээг хангахад хэтэрхий удаан байгаа үед гадаргуугийн өндөр талбай бүхий электрод бүхий суперконденсатор хурдан "өшиглөж" эрчим хүчний алдагдлыг нөхөж чадна."

Үр ашигтай электродын гадаргуугийн өндөр талбайг авахын тулд баг аэрогель ашигласан. Эдгээр нь шингэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг агаар эсвэл өөр хийгээр солихын тулд хатаах, халаах тусгай эмчилгээ хийлгэсэн нойтон, гель хэлбэртэй бодисууд юм. Эдгээр аргууд нь гельний 3-D бүтцийг хадгалж, гадаргуугийн өндөр талбай, маш бага нягтралтай болгодог. Энэ нь Jell-O-ийн бүх усыг агшилтгүйгээр зайлуулахтай адил юм.

"Нэг грамм аэрогель нь нэг хөлбөмбөгийн талбайтай тэнцэх хэмжээний талбайг агуулдаг" гэж Паузауски хэлэв.

Кран нь формальдегид болон нүүрстөрөгчийн бусад молекулуудаас бүтсэн, давтагдах бүтцийн нэгж бүхий гель хэлбэртэй полимерээс аэрогель хийсэн. Энэ нь өнөөгийн суперконденсатор электродуудын нэгэн адил тэдний төхөөрөмж нүүрстөрөгчөөр баялаг материалаас бүрдэхийг баталгаажуулсан.

Өмнө нь Лим графен буюу ердөө нэг атомын зузаантай нүүрстөрөгчийг гель дээр нэмснээр үүссэн аэрогель нь суперконденсаторын шинж чанартай болохыг харуулсан. Гэхдээ Лим, Крейн нар аэрогелийн гүйцэтгэлийг сайжруулж, синтезийн процессыг хямд, хялбар болгох шаардлагатай байв.

Лимийн өмнөх туршилтуудад графен нэмсэн нь аэрогелийн багтаамжийг сайжруулаагүй. Тиймээс тэд оронд нь молибдений дисульфид эсвэл вольфрамын дисульфидын нимгэн хуудас бүхий аэрогелийг ачсан. Хоёр химийн бодисыг өнөөдөр үйлдвэрлэлийн тосолгооны материалд өргөн ашигладаг.

Судлаачид хоёр материалыг өндөр давтамжийн дууны долгионоор эмчилж, нимгэн хуудас болгон хувааж, нүүрстөрөгчөөр баялаг гель матрицад оруулсан. Тэд бүрэн ачаалалтай нойтон гелийг хоёр цаг хүрэхгүй хугацаанд нэгтгэж чаддаг байсан бол бусад аргуудад олон хоног шаардагдана.

Хатаасан, нягтрал багатай аэрогелийг авсны дараа тэд цавуу болон нүүрстөрөгчөөр баялаг өөр материалтай хослуулан үйлдвэрлэлийн "зуурмаг"-ыг бий болгосон бөгөөд Лим үүнийг ердөө л хэдхэн мянган инчийн зузаантай хуудас болгон өнхрүүлж чаддаг байв. Тэд зуурсан гурилаас хагас инчийн дискийг хайчилж, энгийн зоосон зайтай батерейнд угсарч, материалын суперконденсатор электродын үр нөлөөг туршиж үзсэн.

Тэдний электродууд нь хурдан, энгийн, нийлэгжүүлэхэд хялбар төдийгүй нүүрстөрөгчөөр баялаг аэрогелийн багтаамжаас дор хаяж 127 хувиар илүү багтаамжтай байв.

Лим, Крейн нар 10-100 атомын зузаантай молибдений дисульфид эсвэл вольфрамын дисульфидын нимгэн хуудас бүхий аэрогель нь илүү сайн гүйцэтгэлтэй байх болно гэж найдаж байна. Гэхдээ эхлээд тэд ачаалагдсан аэрогелийг нийлэгжүүлэхэд илүү хурдан бөгөөд хямд байх болно гэдгийг харуулахыг хүссэн нь аж үйлдвэрийн үйлдвэрлэлд зайлшгүй шаардлагатай алхам юм. Дараа нь нарийн тохируулга ирдэг.

Эдгээр хүчин чармайлт нь суперконденсатор электродын хүрээнээс гадуур ч гэсэн шинжлэх ухааныг хөгжүүлэхэд тусална гэж багийнхан үзэж байна. Тэдгээрийн аэрогелийн түдгэлзүүлсэн молибдений дисульфид нь устөрөгчийн үйлдвэрлэлийг хурдасгахад хангалттай тогтвортой байж болно. Аэрогельд материалыг хурдан барих тэдний аргыг өндөр багтаамжтай батерей эсвэл катализ дээр ашиглаж болно.