Supercondensatoren zijn een toepasselijk genoemd type apparaat dat sneller energie kan opslaan en leveren dan conventionele batterijen. Er is veel vraag naar toepassingen, waaronder elektrische auto's, draadloze telecommunicatie en krachtige lasers.

Maar om deze toepassingen te realiseren hebben supercondensatoren betere elektroden nodig, die de supercondensator verbinden met de apparaten die afhankelijk zijn van hun energie. Deze elektroden moeten zowel sneller als goedkoper op grote schaal te maken zijn en hun elektrische belasting ook sneller kunnen opladen en ontladen. Een team van ingenieurs aan de Universiteit van Washington denkt dat ze een proces hebben bedacht voor de productie van supercondensatorelektrodematerialen die aan deze strenge industriële en gebruikseisen zullen voldoen.

De onderzoekers, onder leiding van UW assistent-professor materiaalkunde en techniek Peter Pauzauskie, publiceerden op 17 juli een artikel in het tijdschrift Nature Microsystems and Nanoengineering waarin ze hun supercondensatorelektrode beschrijven en de snelle, goedkope manier waarop ze die maakten. Hun nieuwe methode begint met koolstofrijke materialen die zijn gedroogd tot een matrix met lage dichtheid, een aerogel genaamd. Deze aerogel op zichzelf kan fungeren als een ruwe elektrode, maar het team van Pauzauskie heeft de capaciteit ervan, oftewel het vermogen om elektrische lading op te slaan, meer dan verdubbeld.

Deze goedkope uitgangsmaterialen, gekoppeld aan een gestroomlijnd syntheseproces, minimaliseren twee veel voorkomende belemmeringen voor industriële toepassing: kosten en snelheid.

“In industriële toepassingen is tijd geld”, zegt Pauzauskie. “De uitgangsmaterialen voor deze elektroden kunnen we in uren maken in plaats van in weken. En dat kan de synthesekosten voor het maken van hoogwaardige supercondensatorelektroden aanzienlijk verlagen.”

Effectieve supercondensatorelektroden worden gesynthetiseerd uit koolstofrijke materialen die ook een groot oppervlak hebben. Deze laatste vereiste is van cruciaal belang vanwege de unieke manier waarop supercondensatoren elektrische lading opslaan. Terwijl een conventionele batterij elektrische ladingen opslaat via de chemische reacties die daarin plaatsvinden, slaat een supercondensator in plaats daarvan positieve en negatieve ladingen direct op het oppervlak op en scheidt deze.

"Supercondensatoren kunnen veel sneller werken dan batterijen, omdat ze niet worden beperkt door de snelheid van de reactie of de bijproducten die zich kunnen vormen", zegt co-hoofdauteur Matthew Lim, een UW-doctoraalstudent bij de afdeling Materials Science & Engineering. “Supercondensatoren kunnen heel snel opladen en ontladen, en daarom zijn ze geweldig in het leveren van deze ‘pulsen’ van stroom.”

"Ze hebben geweldige toepassingen in omgevingen waar een batterij op zichzelf te traag is", zegt collega-hoofdauteur Matthew Crane, een doctoraalstudent aan de UW-afdeling van chemische technologie. “Op momenten dat een batterij te langzaam is om aan de energiebehoefte te voldoen, zou een supercondensator met een elektrode met een groot oppervlak snel kunnen ‘ingrijpen’ en het energietekort kunnen compenseren.”

Om het grote oppervlak voor een efficiënte elektrode te verkrijgen, gebruikte het team aerogels. Dit zijn natte, gelachtige stoffen die een speciale droog- en verwarmingsbehandeling hebben ondergaan om hun vloeibare componenten te vervangen door lucht of een ander gas. Deze methoden behouden de 3D-structuur van de gel, waardoor deze een groot oppervlak en een extreem lage dichtheid krijgt. Het is alsof je al het water uit Jell-O verwijdert zonder te krimpen.

“Eén gram aerogel bevat ongeveer evenveel oppervlakte als één voetbalveld”, zegt Pauzauskie.

Crane maakte aerogels van een gelachtig polymeer, een materiaal met zich herhalende structurele eenheden, gemaakt van formaldehyde en andere op koolstof gebaseerde moleculen. Dit zorgde ervoor dat hun apparaat, net als de huidige supercondensatorelektroden, uit koolstofrijke materialen zou bestaan.

Eerder heeft Lim aangetoond dat het toevoegen van grafeen (een vel koolstof van slechts één atoom dik) aan de gel de resulterende aerogel doordrenkt met supercondensatoreigenschappen. Maar Lim en Crane moesten de prestaties van de aerogel verbeteren en het syntheseproces goedkoper en gemakkelijker maken.

In de eerdere experimenten van Lim had het toevoegen van grafeen de capaciteit van de aerogel niet verbeterd. Dus laadden ze in plaats daarvan aerogels met dunne vellen molybdeendisulfide of wolfraamdisulfide. Beide chemicaliën worden tegenwoordig veel gebruikt in industriële smeermiddelen.

De onderzoekers behandelden beide materialen met hoogfrequente geluidsgolven om ze in dunne platen op te breken en in de koolstofrijke gelmatrix op te nemen. Ze konden in minder dan twee uur een volledig gevulde natte gel synthetiseren, terwijl andere methoden vele dagen zouden duren.

Nadat ze de gedroogde aerogel met lage dichtheid hadden verkregen, combineerden ze deze met lijm en een ander koolstofrijk materiaal om een ​​industrieel ‘deeg’ te creëren, dat Lim eenvoudigweg kon uitrollen tot vellen van slechts een paar duizendsten van een centimeter dik. Ze sneden schijven van een halve inch uit het deeg en monteerden deze in eenvoudige behuizingen van knoopcelbatterijen om de effectiviteit van het materiaal als supercondensatorelektrode te testen.

Niet alleen waren hun elektroden snel, eenvoudig en gemakkelijk te synthetiseren, maar ze hadden ook een capaciteit die minstens 127 procent groter was dan die van de koolstofrijke aerogel alleen.

Lim en Crane verwachten dat aerogels geladen met nog dunnere platen molybdeendisulfide of wolfraamdisulfide – die waren ongeveer 10 tot 100 atomen dik – zelfs nog betere prestaties zouden leveren. Maar eerst wilden ze aantonen dat geladen aerogels sneller en goedkoper te synthetiseren zouden zijn, een noodzakelijke stap voor industriële productie. De verfijning komt daarna.

Het team is van mening dat deze inspanningen de wetenschap kunnen helpen vooruit te gaan, zelfs buiten het domein van supercondensatorelektroden. Hun aerogel-gesuspendeerde molybdeendisulfide zou voldoende stabiel kunnen blijven om de waterstofproductie te katalyseren. En hun methode om materialen snel in aerogels op te vangen zou kunnen worden toegepast op batterijen met hoge capaciteit of katalyse.