Supercapacitors ialah sejenis peranti yang dinamakan dengan tepat yang boleh menyimpan dan menghantar tenaga lebih cepat daripada bateri konvensional. Mereka mendapat permintaan tinggi untuk aplikasi termasuk kereta elektrik, telekomunikasi tanpa wayar dan laser berkuasa tinggi.

Tetapi untuk merealisasikan aplikasi ini, supercapacitors memerlukan elektrod yang lebih baik, yang menyambungkan supercapacitor kepada peranti yang bergantung kepada tenaga mereka. Elektrod ini perlu lebih cepat dan lebih murah untuk dibuat secara besar-besaran dan juga dapat mengecas dan menyahcas beban elektriknya dengan lebih cepat. Satu pasukan jurutera di Universiti Washington berpendapat mereka telah menghasilkan satu proses untuk mengeluarkan bahan elektrod supercapacitor yang akan memenuhi permintaan industri dan penggunaan yang ketat ini.

Para penyelidik, yang diketuai oleh penolong profesor sains bahan dan kejuruteraan UW Peter Pauzauskie, menerbitkan kertas kerja pada 17 Julai dalam jurnal Nature Microsystems and Nanoengineering yang menerangkan elektrod supercapacitor mereka dan cara yang cepat dan murah mereka membuatnya. Kaedah baru mereka bermula dengan bahan kaya karbon yang telah dikeringkan menjadi matriks berketumpatan rendah yang dipanggil aerogel. Airgel ini sendiri boleh bertindak sebagai elektrod mentah, tetapi pasukan Pauzauskie lebih daripada dua kali ganda kapasitinya, iaitu keupayaannya untuk menyimpan cas elektrik.

Bahan permulaan yang murah ini, ditambah dengan proses sintesis yang diperkemas, meminimumkan dua halangan biasa untuk aplikasi industri: kos dan kelajuan.

"Dalam aplikasi industri, masa adalah wang," kata Pauzauskie. "Kami boleh membuat bahan permulaan untuk elektrod ini dalam beberapa jam, bukannya minggu. Dan itu boleh mengurangkan kos sintesis dengan ketara untuk membuat elektrod supercapacitor berprestasi tinggi."

Elektrod superkapasitor yang berkesan disintesis daripada bahan kaya karbon yang juga mempunyai luas permukaan yang tinggi. Keperluan terakhir adalah kritikal kerana cara unik supercapacitors menyimpan cas elektrik. Walaupun bateri konvensional menyimpan cas elektrik melalui tindak balas kimia yang berlaku di dalamnya, supercapacitor sebaliknya menyimpan dan mengasingkan cas positif dan negatif secara langsung pada permukaannya.

"Supercapacitors boleh bertindak lebih pantas daripada bateri kerana ia tidak dihadkan oleh kelajuan tindak balas atau hasil sampingan yang boleh terbentuk," kata pengarang utama bersama Matthew Lim, pelajar kedoktoran UW di Jabatan Sains & Kejuruteraan Bahan. "Supercapacitor boleh mengecas dan menyahcas dengan sangat cepat, itulah sebabnya mereka hebat dalam menyampaikan 'nadi' kuasa ini."

"Mereka mempunyai aplikasi hebat dalam tetapan di mana bateri sendiri terlalu perlahan," kata rakan pengarang utama Matthew Crane, pelajar kedoktoran di Jabatan Kejuruteraan Kimia UW. "Dalam saat-saat di mana bateri terlalu perlahan untuk memenuhi permintaan tenaga, supercapacitor dengan elektrod luas permukaan yang tinggi boleh 'menendang' dengan cepat dan mengimbangi defisit tenaga."

Untuk mendapatkan kawasan permukaan yang tinggi untuk elektrod yang cekap, pasukan menggunakan aerogel. Ini adalah bahan basah seperti gel yang telah melalui rawatan khas pengeringan dan pemanasan untuk menggantikan komponen cecairnya dengan udara atau gas lain. Kaedah ini mengekalkan struktur 3-D gel, memberikannya kawasan permukaan yang tinggi dan ketumpatan yang sangat rendah. Ia seperti mengeluarkan semua air daripada Jell-O tanpa mengecut.

"Satu gram airgel mengandungi kira-kira luas permukaan seperti satu padang bola sepak," kata Pauzauskie.

Kren membuat aerogel daripada polimer seperti gel, bahan dengan unit struktur berulang, dicipta daripada formaldehid dan molekul berasaskan karbon lain. Ini memastikan bahawa peranti mereka, seperti elektrod superkapasitor hari ini, akan terdiri daripada bahan kaya karbon.

Sebelum ini, Lim menunjukkan bahawa penambahan graphene—yang merupakan kepingan karbon hanya setebal satu atom—kepada gel itu menjiwai aerogel yang terhasil dengan sifat supercapacitor. Tetapi, Lim dan Crane perlu meningkatkan prestasi aerogel, dan menjadikan proses sintesis lebih murah dan lebih mudah.

Dalam eksperimen Lim sebelum ini, menambah graphene tidak meningkatkan kapasiti aerogel. Jadi mereka sebaliknya memuatkan aerogel dengan kepingan nipis sama ada molibdenum disulfida atau tungsten disulfida. Kedua-dua bahan kimia digunakan secara meluas hari ini dalam pelincir industri.

Para penyelidik merawat kedua-dua bahan dengan gelombang bunyi frekuensi tinggi untuk memecahkannya menjadi kepingan nipis dan memasukkannya ke dalam matriks gel yang kaya dengan karbon. Mereka boleh mensintesis gel basah yang dimuatkan sepenuhnya dalam masa kurang daripada dua jam, manakala kaedah lain akan mengambil masa beberapa hari.

Selepas memperoleh aerogel berketumpatan rendah yang kering, mereka menggabungkannya dengan pelekat dan satu lagi bahan kaya karbon untuk menghasilkan "doh" perindustrian, yang Lim hanya boleh menggulung ke helaian hanya beberapa perseribu inci tebal. Mereka memotong cakera setengah inci dari doh dan memasangnya ke dalam sarung bateri sel syiling mudah untuk menguji keberkesanan bahan sebagai elektrod supercapacitor.

Elektrodnya bukan sahaja pantas, ringkas dan mudah disintesis, tetapi ia juga mempunyai kapasiti sekurang-kurangnya 127 peratus lebih besar daripada aerogel yang kaya dengan karbon sahaja.

Lim dan Crane menjangkakan bahawa aerogel yang dimuatkan dengan kepingan molibdenum disulfida atau tungsten disulfida yang lebih nipis—tebalnya kira-kira 10 hingga 100 atom—akan menunjukkan prestasi yang lebih baik. Tetapi pertama-tama, mereka ingin menunjukkan bahawa aerogel yang dimuatkan akan lebih cepat dan lebih murah untuk disintesis, satu langkah yang perlu untuk pengeluaran perindustrian. Penalaan halus datang seterusnya.

Pasukan ini percaya bahawa usaha ini dapat membantu memajukan sains walaupun di luar bidang elektrod supercapacitor. Molibdenum disulfida terampai aerogel mereka mungkin kekal cukup stabil untuk memangkinkan pengeluaran hidrogen. Dan kaedah mereka untuk memerangkap bahan dengan cepat dalam aerogel boleh digunakan pada bateri berkapasiti tinggi atau pemangkinan.