Superkondensatorer er en passende navngitt type enhet som kan lagre og levere energi raskere enn konvensjonelle batterier. De er etterspurt etter applikasjoner inkludert elbiler, trådløs telekommunikasjon og kraftige lasere.

Men for å realisere disse applikasjonene trenger superkondensatorer bedre elektroder, som kobler superkondensatoren til enhetene som er avhengig av deres energi. Disse elektrodene må være både raskere og billigere å lage i stor skala og også i stand til å lade og utlade sin elektriske belastning raskere. Et team av ingeniører ved University of Washington tror de har kommet opp med en prosess for å produsere superkondensatorelektrodematerialer som vil møte disse strenge industri- og brukskravene.

Forskerne, ledet av UW assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap Peter Pauzauskie, publiserte en artikkel 17. juli i tidsskriftet Nature Microsystems and Nanoengineering som beskrev superkondensatorelektroden deres og den raske, rimelige måten de laget den på. Deres nye metode starter med karbonrike materialer som har blitt tørket inn i en matrise med lav tetthet kalt en aerogel. Denne aerogelen i seg selv kan fungere som en råelektrode, men Pauzauskies team mer enn doblet kapasitansen, som er dens evne til å lagre elektrisk ladning.

Disse rimelige utgangsmaterialene, kombinert med en strømlinjeformet synteseprosess, minimerer to vanlige barrierer for industriell bruk: kostnad og hastighet.

"I industrielle applikasjoner er tid penger," sa Pauzauskie. "Vi kan lage utgangsmaterialene for disse elektrodene på timer, i stedet for uker. Og det kan redusere syntesekostnadene for å lage høyytelses superkondensatorelektroder betydelig.»

Effektive superkondensatorelektroder er syntetisert fra karbonrike materialer som også har et høyt overflateareal. Sistnevnte krav er kritisk på grunn av den unike måten superkondensatorer lagrer elektrisk ladning på. Mens et konvensjonelt batteri lagrer elektriske ladninger via de kjemiske reaksjonene som skjer i det, lagrer og skiller en superkondensator i stedet positive og negative ladninger direkte på overflaten.

"Superkondensatorer kan virke mye raskere enn batterier fordi de ikke er begrenset av reaksjonshastigheten eller biprodukter som kan dannes," sa medforfatter Matthew Lim, en UW doktorgradsstudent ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap. "Superkondensatorer kan lades og utlades veldig raskt, og det er derfor de er gode til å levere disse "pulsene" av kraft."

"De har gode applikasjoner i omgivelser der et batteri i seg selv er for tregt," sa medforfatter Matthew Crane, en doktorgradsstudent ved UW Department of Chemical Engineering. "I øyeblikk der et batteri er for tregt til å møte energibehovet, kan en superkondensator med en elektrode med stort overflateareal "sparke inn" raskt og kompensere for energiunderskuddet."

For å få det høye overflatearealet for en effektiv elektrode, brukte teamet aerogel. Dette er våte, gellignende stoffer som har gjennomgått en spesiell behandling med tørking og oppvarming for å erstatte deres flytende komponenter med luft eller annen gass. Disse metodene bevarer gelens 3D-struktur, og gir den et høyt overflateareal og ekstremt lav tetthet. Det er som å fjerne alt vannet fra Jell-O uten å krympe.

"Ett gram aerogel inneholder omtrent like mye overflate som en fotballbane," sa Pauzauskie.

Crane laget aerogeler fra en gel-lignende polymer, et materiale med repeterende strukturelle enheter, laget av formaldehyd og andre karbonbaserte molekyler. Dette sikret at enheten deres, som dagens superkondensatorelektroder, ville bestå av karbonrike materialer.

Tidligere har Lim demonstrert at tilsetning av grafen - som er et ark med karbon bare ett atom tykt - til gelen ga den resulterende aerogelen superkondensatoregenskaper. Men Lim og Crane trengte å forbedre aerogelens ytelse, og gjøre synteseprosessen billigere og enklere.

I Lims tidligere eksperimenter hadde tilsetning av grafen ikke forbedret aerogels kapasitans. Så de lastet i stedet aerogeler med tynne plater av enten molybdendisulfid eller wolframdisulfid. Begge kjemikaliene brukes mye i dag i industrielle smøremidler.

Forskerne behandlet begge materialene med høyfrekvente lydbølger for å bryte dem opp i tynne ark og inkorporerte dem i den karbonrike gelmatrisen. De kunne syntetisere en fullastet våt gel på mindre enn to timer, mens andre metoder ville ta mange dager.

Etter å ha fått den tørkede aerogelen med lav tetthet, kombinerte de den med lim og et annet karbonrikt materiale for å lage en industriell "deig", som Lim ganske enkelt kunne rulle ut til ark bare noen få tusendeler av en tomme tykke. De kuttet halvtommers skiver fra deigen og satte dem sammen til enkle knappcellebatterihus for å teste materialets effektivitet som en superkondensatorelektrode.

Ikke bare var elektrodene deres raske, enkle og enkle å syntetisere, men de hadde også en kapasitans som var minst 127 prosent større enn den karbonrike aerogelen alene.

Lim og Crane forventer at aerogeler lastet med enda tynnere plater av molybdendisulfid eller wolframdisulfid - deres var omtrent 10 til 100 atomer tykke - ville vise en enda bedre ytelse. Men først ønsket de å vise at ladede aerogeler ville være raskere og billigere å syntetisere, et nødvendig skritt for industriell produksjon. Finjusteringen kommer deretter.

Teamet mener at denne innsatsen kan bidra til å fremme vitenskapen selv utenfor riket av superkondensatorelektroder. Deres aerogel-suspenderte molybdendisulfid kan forbli tilstrekkelig stabilt til å katalysere hydrogenproduksjon. Og metoden deres for å fange materialer raskt i aerogeler kan brukes på batterier med høy kapasitans eller katalyse.