Is-supercapacitors huma tip ta 'apparat msemmi b'mod xieraq li jista' jaħżen u jwassal l-enerġija aktar malajr minn batteriji konvenzjonali. Huma fid-domanda kbira għal applikazzjonijiet inklużi karozzi elettriċi, telekomunikazzjoni mingħajr fili u lejżers b'qawwa għolja.

Iżda biex jiġu realizzati dawn l-applikazzjonijiet, is-supercapacitors jeħtieġu elettrodi aħjar, li jgħaqqdu s-supercapacitor mal-apparati li jiddependu fuq l-enerġija tagħhom. Dawn l-elettrodi jeħtieġ li jkunu kemm aktar mgħaġġla kif ukoll irħas biex isiru fuq skala kbira u wkoll kapaċi jiċċarġjaw u jneħħu t-tagħbija elettrika tagħhom aktar malajr. Tim ta 'inġiniera fl-Università ta' Washington jaħseb li ħarġu bi proċess għall-manifattura ta 'materjali ta' elettrodu ta 'supercapacitor li se jissodisfaw dawn it-talbiet industrijali u ta' użu stretti.

Ir-riċerkaturi, immexxija minn UW assistent professur tax-xjenza tal-materjali u l-inġinerija Peter Pauzauskie, ippubblikaw dokument fis-17 ta 'Lulju fil-ġurnal Nature Microsystems and Nanoengineering li jiddeskrivi l-elettrodu tas-supercapacitor tagħhom u l-mod veloċi u rħas li għamlu. Il-metodu ġdid tagħhom jibda b'materjali b'ħafna karbonju li ġew imnixxfa f'matriċi ta 'densità baxxa msejħa aerogel. Dan l-airgel waħdu jista 'jaġixxi bħala elettrodu mhux raffinat, iżda t-tim ta' Pauzauskie aktar milli rdoppja l-kapaċità tiegħu, li hija l-kapaċità tagħha li taħżen ċarġ elettriku.

Dawn il-materjali tal-bidu rħas, flimkien ma 'proċess ta' sinteżi ssimplifikat, jimminimizzaw żewġ ostakoli komuni għall-applikazzjoni industrijali: l-ispiża u l-veloċità.

"Fl-applikazzjonijiet industrijali, il-ħin huwa flus," qal Pauzauskie. “Nistgħu nagħmlu l-materjali tal-bidu għal dawn l-elettrodi f’sigħat, aktar milli ġimgħat. U dan jista 'jnaqqas b'mod sinifikanti l-ispiża tas-sinteżi biex isiru elettrodi ta' supercapacitor ta 'prestazzjoni għolja."

Elettrodi supercapacitor effettivi huma sintetizzati minn materjali b'ħafna karbonju li għandhom ukoll erja tal-wiċċ għolja. Ir-rekwiżit tal-aħħar huwa kritiku minħabba l-mod uniku kif is-supercapacitors jaħżnu ċ-ċarġ elettriku. Filwaqt li batterija konvenzjonali taħżen piżijiet elettriċi permezz tar-reazzjonijiet kimiċi li jseħħu fi ħdanha, supercapacitor minflok jaħżen u jifred piżijiet pożittivi u negattivi direttament fuq il-wiċċ tiegħu.

"Supercapacitors jistgħu jaġixxu ħafna aktar malajr mill-batteriji minħabba li mhumiex limitati mill-veloċità tar-reazzjoni jew il-prodotti sekondarji li jistgħu jiffurmaw," qal il-ko-awtur ewlieni Matthew Lim, student ta 'dottorat UW fid-Dipartiment tax-Xjenza tal-Materjali u l-Inġinerija. "Supercapacitors jistgħu jiċċarġjaw u jarmi malajr ħafna, u huwa għalhekk li huma tajbin biex iwasslu dawn il-"impulsi" ta 'enerġija."

"Huma għandhom applikazzjonijiet kbar f'ambjenti fejn batterija waħedha hija bil-mod wisq," qal l-awtur ewlieni sħabi Matthew Crane, student tad-dottorat fid-Dipartiment tal-Inġinerija Kimika tal-UW. "F'mumenti fejn batterija tkun bil-mod wisq biex tissodisfa d-domandi tal-enerġija, supercapacitor b'elettrodu ta 'superfiċje għoli jista' 'jibda' malajr u jagħmel tajjeb għad-defiċit tal-enerġija."

Biex tikseb l-erja tal-wiċċ għolja għal elettrodu effiċjenti, it-tim uża aerogels. Dawn huma sustanzi mxarrba, bħal ġel li għaddew minn trattament speċjali ta 'tnixxif u tisħin biex jissostitwixxu l-komponenti likwidi tagħhom bl-arja jew gass ieħor. Dawn il-metodi jippreservaw l-istruttura 3-D tal-ġel, u jagħtuha erja tal-wiċċ għolja u densità estremament baxxa. Huwa simili li tneħħi l-ilma kollu minn Jell-O mingħajr ma tiċkien.

"Gramma waħda ta 'airgel fiha madwar daqs tal-wiċċ daqs grawnd wieħed tal-futbol," qal Pauzauskie.

Crane għamel aerogels minn polimeru bħal ġel, materjal b'unitajiet strutturali ripetuti, maħluqa minn formaldehyde u molekuli oħra bbażati fuq il-karbonju. Dan żgura li l-apparat tagħhom, bħall-elettrodi tas-supercapacitor tal-lum, ikun jikkonsisti minn materjali b'ħafna karbonju.

Preċedentement, Lim wera li ż-żieda tal-graphene—li hija folja ta 'karbonju ħxuna ta' atomu wieħed biss—mal-ġell imbutta l-airgel li jirriżulta bi proprjetajiet ta 'supercapacitor. Iżda, Lim u Crane kellhom bżonn itejbu l-prestazzjoni tal-aerogel, u jagħmlu l-proċess ta 'sinteżi orħos u eħfef.

Fl-esperimenti preċedenti ta 'Lim, iż-żieda ta' graphene ma tejbitx il-kapaċità ta 'l-aerogel. Għalhekk huma minflok mgħobbija aerogels b'folji rqaq jew ta 'disulfid tal-molibdenu jew disulfide tat-tungstenu. Iż-żewġ kimiċi jintużaw ħafna llum fil-lubrikanti industrijali.

Ir-riċerkaturi ttrattaw iż-żewġ materjali b'mewġ tal-ħoss ta 'frekwenza għolja biex ikissruhom f'folji rqaq u inkorporawhom fil-matriċi tal-ġel b'ħafna karbonju. Jistgħu jissintetizzaw ġel imxarrab kompletament mgħobbi f'inqas minn sagħtejn, filwaqt li metodi oħra jieħdu ħafna jiem.

Wara li kisbu l-aerogel imnixxef u ta 'densità baxxa, għaqqduh ma' adeżivi u materjal ieħor b'ħafna karbonju biex joħolqu "għaġina" industrijali, li Lim seta 'sempliċement tinfirex f'folji ħoxnin biss ftit eluf ta' pulzier. Huma qatgħu diski ta 'nofs pulzier mill-għaġina u assemblawhom f'kisi sempliċi tal-batteriji taċ-ċelluli tal-muniti biex jittestjaw l-effettività tal-materjal bħala elettrodu supercapacitor.

Mhux biss l-elettrodi tagħhom kienu veloċi, sempliċi u faċli biex jiġu sintetizzati, iżda wkoll kellhom kapaċità ta 'l-inqas 127 fil-mija akbar mill-airgel b'ħafna karbonju waħdu.

Lim u Crane jistennew li aerogels mgħobbija b'folji saħansitra irqaq ta 'disulfid tal-molibdenu jew disulfide tat-tungstenu—tagħhom kienu ħxuna ta' madwar 10 sa 100 atomu—se juru prestazzjoni saħansitra aħjar. Iżda l-ewwel, riedu juru li aerogels mgħobbija jkunu aktar mgħaġġla u orħos biex jiġu sintetizzati, pass meħtieġ għall-produzzjoni industrijali. L-irfinar jiġi wara.

It-tim jemmen li dawn l-isforzi jistgħu jgħinu biex tavvanza x-xjenza anke barra mill-isfera ta 'elettrodi supercapacitor. Id-disulfid tal-molibdenu sospiż bl-aerogel tagħhom jista 'jibqa' stabbli biżżejjed biex jikkatalizza l-produzzjoni tal-idroġenu. U l-metodu tagħhom biex jinqabdu materjali malajr fl-aerogels jista 'jiġi applikat għal batteriji ta' kapaċità għolja jew kataliżi.