सुपरकॅपॅसिटर हे एक योग्य नावाचे उपकरण आहे जे पारंपारिक बॅटरीपेक्षा जलद ऊर्जा साठवू आणि वितरित करू शकते. त्यांना इलेक्ट्रिक कार, वायरलेस टेलिकम्युनिकेशन्स आणि उच्च-शक्तीच्या लेझरसह ॲप्लिकेशन्ससाठी जास्त मागणी आहे.

परंतु हे ऍप्लिकेशन्स लक्षात येण्यासाठी, सुपरकॅपॅसिटरला अधिक चांगल्या इलेक्ट्रोड्सची आवश्यकता असते, जे त्यांच्या उर्जेवर अवलंबून असलेल्या उपकरणांशी सुपरकॅपॅसिटर जोडतात. हे इलेक्ट्रोड मोठ्या प्रमाणावर बनवण्यासाठी जलद आणि स्वस्त दोन्ही असणे आवश्यक आहे आणि त्यांचे विद्युत भार जलद चार्ज आणि डिस्चार्ज करण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे. वॉशिंग्टन विद्यापीठातील अभियंत्यांच्या एका संघाला वाटते की त्यांनी सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोड सामग्रीच्या निर्मितीसाठी एक प्रक्रिया आणली आहे जी या कडक औद्योगिक आणि वापराच्या मागण्या पूर्ण करेल.

साहित्य विज्ञान आणि अभियांत्रिकीचे UW सहाय्यक प्राध्यापक पीटर पॉझॉस्की यांच्या नेतृत्वाखाली संशोधकांनी 17 जुलै रोजी नेचर मायक्रोसिस्टम्स आणि नॅनोइंजिनियरिंग जर्नलमध्ये त्यांच्या सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोडचे वर्णन करणारा एक शोधनिबंध प्रकाशित केला आणि त्यांनी ते बनवलेले जलद, स्वस्त मार्ग. त्यांची कादंबरी पद्धत कार्बन-समृद्ध सामग्रीपासून सुरू होते जी कमी-घनतेच्या मॅट्रिक्समध्ये एरोजेल म्हटल्या जातात. हे एअरजेल स्वतःच क्रूड इलेक्ट्रोड म्हणून काम करू शकते, परंतु पॉझॉस्कीच्या टीमने त्याची क्षमता दुप्पट केली आहे, जी त्याची इलेक्ट्रिक चार्ज साठवण्याची क्षमता आहे.

हे स्वस्त प्रारंभिक साहित्य, सुव्यवस्थित संश्लेषण प्रक्रियेसह, औद्योगिक वापरासाठी दोन सामान्य अडथळे कमी करतात: किंमत आणि गती.

"औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये, वेळ हा पैसा आहे," पॉझॉस्की म्हणाले. “आम्ही या इलेक्ट्रोडसाठी सुरुवातीची सामग्री आठवड्यांऐवजी तासांत बनवू शकतो. आणि हे उच्च-कार्यक्षमता सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोड बनवण्यासाठी संश्लेषण खर्चात लक्षणीय घट करू शकते.

प्रभावी सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोड्स कार्बन-समृद्ध सामग्रीपासून संश्लेषित केले जातात ज्यांचे पृष्ठभाग देखील जास्त असते. सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रिक चार्ज साठवण्याच्या अनोख्या पद्धतीमुळे नंतरची आवश्यकता गंभीर आहे. पारंपारिक बॅटरी तिच्यामध्ये होणाऱ्या रासायनिक अभिक्रियांद्वारे विद्युत शुल्क संचयित करते, तर सुपरकॅपेसिटर त्याच्या पृष्ठभागावर थेट सकारात्मक आणि नकारात्मक शुल्क संचयित करते आणि वेगळे करते.

"सुपरकॅपॅसिटर बॅटरीपेक्षा खूप वेगाने कार्य करू शकतात कारण ते प्रतिक्रियांच्या गतीने किंवा तयार होऊ शकणाऱ्या उपउत्पादनांद्वारे मर्यादित नाहीत," असे सह-प्रमुख लेखक मॅथ्यू लिम, साहित्य विज्ञान आणि अभियांत्रिकी विभागातील UW डॉक्टरेट विद्यार्थी म्हणाले. "सुपरकॅपेसिटर खूप लवकर चार्ज आणि डिस्चार्ज करू शकतात, म्हणूनच ते या 'पल्स' पॉवर वितरीत करण्यात उत्कृष्ट आहेत."

"त्यांच्याकडे सेटिंग्जमध्ये उत्कृष्ट ऍप्लिकेशन्स आहेत जिथे बॅटरी स्वतःच खूप मंद असते," सहकारी प्रमुख लेखक मॅथ्यू क्रेन म्हणाले, UW रासायनिक अभियांत्रिकी विभागातील डॉक्टरेट विद्यार्थी. "ज्या क्षणी उर्जेची मागणी पूर्ण करण्यासाठी बॅटरी खूप मंद असते, त्या क्षणी उच्च पृष्ठभागाच्या क्षेत्रावरील इलेक्ट्रोडसह सुपरकॅपेसिटर त्वरीत 'किक' करू शकतो आणि उर्जेची कमतरता भरून काढू शकतो."

कार्यक्षम इलेक्ट्रोडसाठी उच्च पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ मिळविण्यासाठी, संघाने एरोजेल्सचा वापर केला. हे ओले, जेलसारखे पदार्थ आहेत जे त्यांच्या द्रव घटकांना हवा किंवा अन्य वायूने ​​बदलण्यासाठी कोरडे आणि गरम करण्याच्या विशेष प्रक्रियेतून गेले आहेत. या पद्धती जेलची 3-डी रचना टिकवून ठेवतात, त्यास उच्च पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ आणि अत्यंत कमी घनता देते. हे जेल-ओ मधून कोणतेही आकुंचन न करता सर्व पाणी काढून टाकण्यासारखे आहे.

“एक ग्रॅम एअरजेलमध्ये एका फुटबॉल मैदानाइतके पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ असते,” पॉझॉस्की म्हणाले.

क्रेनने जेल-सदृश पॉलिमरपासून एरोजेल बनवले, फॉर्मल्डिहाइड आणि इतर कार्बन-आधारित रेणूंपासून तयार केलेली संरचनात्मक युनिट्सची पुनरावृत्ती होणारी सामग्री. यामुळे त्यांचे उपकरण, आजच्या सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोड्सप्रमाणे, कार्बन-समृद्ध पदार्थांचा समावेश असेल याची खात्री झाली.

याआधी, लिमने दाखवून दिले की जेलमध्ये ग्राफीन - जे कार्बनचे फक्त एक अणू जाड आहे - जोडल्याने परिणामी एअरजेल सुपरकॅपॅसिटर गुणधर्मांसह अंतर्भूत होते. परंतु, एरोजेलची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी आणि संश्लेषण प्रक्रिया स्वस्त आणि सुलभ करण्यासाठी लिम आणि क्रेन आवश्यक आहेत.

लिमच्या मागील प्रयोगांमध्ये, ग्राफीन जोडल्याने एरोजेलची क्षमता सुधारली नाही. म्हणून त्यांनी त्याऐवजी मॉलिब्डेनम डायसल्फाइड किंवा टंगस्टन डायसल्फाइडच्या पातळ शीटसह एरोजेल्स लोड केले. दोन्ही रसायने आज औद्योगिक स्नेहकांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जातात.

संशोधकांनी दोन्ही सामग्रीवर उच्च-फ्रिक्वेंसी ध्वनी लहरींसह उपचार केले आणि त्यांना पातळ पत्रके बनवले आणि कार्बन-समृद्ध जेल मॅट्रिक्समध्ये समाविष्ट केले. ते पूर्ण लोड केलेले ओले जेल दोन तासांपेक्षा कमी वेळेत संश्लेषित करू शकतात, तर इतर पद्धतींना बरेच दिवस लागतील.

वाळवलेले, कमी-घनतेचे एरोजेल मिळविल्यानंतर, त्यांनी ते चिकटवणारे आणि आणखी एक कार्बनयुक्त पदार्थ एकत्र करून औद्योगिक "कणक" तयार केले, जे लिम फक्त एक इंच जाडीच्या काही हजारव्या भागाच्या शीटमध्ये गुंडाळू शकते. त्यांनी पिठाच्या अर्ध्या इंच डिस्क्स कापल्या आणि सुपरकॅपॅसिटर इलेक्ट्रोड म्हणून सामग्रीची परिणामकारकता तपासण्यासाठी त्यांना साध्या कॉइन सेल बॅटरी कॅसिंगमध्ये एकत्र केले.

त्यांचे इलेक्ट्रोड केवळ जलद, साधे आणि संश्लेषित करण्यास सोपे नव्हते, परंतु त्यांनी एकट्या कार्बन-समृद्ध एअरजेलपेक्षा किमान 127 टक्के जास्त क्षमता देखील ठेवली.

लिम आणि क्रेनची अपेक्षा आहे की मॉलिब्डेनम डायसल्फाइड किंवा टंगस्टन डायसल्फाईडच्या अगदी पातळ शीट्सने भरलेले एरोजेल्स - त्यांची जाडी सुमारे 10 ते 100 अणू होती - आणखी चांगली कामगिरी दर्शवेल. परंतु प्रथम, त्यांना हे दाखवायचे होते की लोडेड एरोजेल्सचे संश्लेषण जलद आणि स्वस्त असेल, औद्योगिक उत्पादनासाठी आवश्यक पाऊल. फाइन-ट्यूनिंग पुढे येते.

संघाचा विश्वास आहे की हे प्रयत्न सुपरकॅपेसिटर इलेक्ट्रोडच्या क्षेत्राबाहेरही विज्ञानाला प्रगती करण्यास मदत करू शकतात. त्यांचे एरोजेल-निलंबित मोलिब्डेनम डायसल्फाइड हायड्रोजन उत्पादन उत्प्रेरित करण्यासाठी पुरेसे स्थिर राहू शकते. आणि एरोजेल्समध्ये द्रुतपणे सामग्री अडकवण्याची त्यांची पद्धत उच्च कॅपॅसिटन्स बॅटरी किंवा उत्प्रेरकांवर लागू केली जाऊ शकते.