Superkondensatory to trafnie nazwany typ urządzeń, które mogą magazynować i dostarczać energię szybciej niż konwencjonalne baterie. Są one bardzo poszukiwane w zastosowaniach obejmujących samochody elektryczne, telekomunikację bezprzewodową i lasery dużej mocy.

Jednak aby zrealizować te zastosowania, superkondensatory potrzebują lepszych elektrod, które łączą superkondensator z urządzeniami zależnymi od ich energii. Elektrody te muszą być szybsze i tańsze w produkcji na dużą skalę, a także muszą umożliwiać szybsze ładowanie i rozładowywanie ładunku elektrycznego. Zespół inżynierów z Uniwersytetu Waszyngtońskiego uważa, że ​​opracował proces produkcji materiałów elektrodowych superkondensatorów, który spełni te rygorystyczne wymagania przemysłowe i użytkowe.

Naukowcy pod kierownictwem adiunkta nauk o materiałach i inżynierii UW Petera Pauzauskiego opublikowali 17 lipca w czasopiśmie Nature Microsystems and Nanoengineering artykuł opisujący elektrodę superkondensatorową oraz szybki i niedrogi sposób, w jaki ją wytworzono. Ich nowatorska metoda rozpoczyna się od materiałów bogatych w węgiel, które zostały wysuszone w celu uzyskania matrycy o niskiej gęstości zwanej aerożelem. Ten aerożel sam w sobie może działać jak prymitywna elektroda, ale zespół Pauzauskiego ponad dwukrotnie zwiększył jego pojemność, czyli zdolność do magazynowania ładunku elektrycznego.

Te niedrogie materiały wyjściowe w połączeniu z usprawnionym procesem syntezy minimalizują dwie typowe bariery w zastosowaniach przemysłowych: koszt i szybkość.

„W zastosowaniach przemysłowych czas to pieniądz” – stwierdził Pauzauskie. „Materiały wyjściowe do tych elektrod możemy wyprodukować w ciągu kilku godzin, a nie tygodni. A to może znacznie obniżyć koszty syntezy w celu wytworzenia wysokowydajnych elektrod superkondensatorów”.

Skuteczne elektrody superkondensatorów są syntetyzowane z materiałów bogatych w węgiel, które mają również dużą powierzchnię. Ten ostatni wymóg jest krytyczny ze względu na unikalny sposób, w jaki superkondensatory przechowują ładunek elektryczny. Podczas gdy konwencjonalna bateria magazynuje ładunki elektryczne w wyniku zachodzących w niej reakcji chemicznych, superkondensator przechowuje i oddziela ładunki dodatnie i ujemne bezpośrednio na swojej powierzchni.

„Superkondensatory mogą działać znacznie szybciej niż baterie, ponieważ nie ogranicza ich prędkość reakcji ani powstające produkty uboczne” – powiedział współautor Matthew Lim, doktorant UW na Wydziale Inżynierii Materiałowej. „Superkondensatory mogą ładować i rozładowywać się bardzo szybko, dlatego świetnie nadają się do dostarczania tych „impulsów” mocy”.

„Mają świetne zastosowanie tam, gdzie sama bateria jest zbyt wolna” – powiedział inny główny autor Matthew Crane, doktorant na Wydziale Inżynierii Chemicznej UW. „W momentach, gdy akumulator jest zbyt wolny, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię, superkondensator z elektrodą o dużej powierzchni może szybko się włączyć i uzupełnić deficyt energii”.

Aby uzyskać dużą powierzchnię wydajnej elektrody, zespół zastosował aerożele. Są to mokre, żelowate substancje, które przeszły specjalną obróbkę suszenia i ogrzewania w celu zastąpienia ich płynnych składników powietrzem lub innym gazem. Metody te zachowują trójwymiarową strukturę żelu, nadając mu dużą powierzchnię i wyjątkowo niską gęstość. To jakby usunąć całą wodę z Jell-O bez kurczenia się.

„Jeden gram aerożelu zawiera mniej więcej tyle samo powierzchni, co jedno boisko do piłki nożnej” – powiedział Pauzauskie.

Crane wykonał aerożele z żelopodobnego polimeru, materiału o powtarzających się jednostkach strukturalnych, utworzonego z formaldehydu i innych cząsteczek na bazie węgla. Dzięki temu ich urządzenie, podobnie jak dzisiejsze elektrody superkondensatorowe, będzie składało się z materiałów bogatych w węgiel.

Wcześniej Lim wykazał, że dodanie grafenu – który jest arkuszem węgla o grubości zaledwie jednego atomu – do żelu nasyca powstały aerożel właściwościami superkondensatora. Jednak Lim i Crane musieli ulepszyć działanie aerożelu oraz sprawić, że proces syntezy będzie tańszy i łatwiejszy.

W poprzednich eksperymentach Lima dodanie grafenu nie poprawiło pojemności aerożelu. Zamiast tego załadowali aerożele cienkimi arkuszami dwusiarczku molibdenu lub dwusiarczku wolframu. Obie substancje chemiczne są obecnie szeroko stosowane w przemysłowych smarach.

Naukowcy poddali oba materiały falom dźwiękowym o wysokiej częstotliwości, aby rozbić je na cienkie arkusze i włączyć do matrycy żelowej bogatej w węgiel. Mogli zsyntetyzować w pełni obciążony mokry żel w mniej niż dwie godziny, podczas gdy inne metody zajęłyby wiele dni.

Po otrzymaniu wysuszonego aerożelu o małej gęstości połączyli go z klejami i innym materiałem bogatym w węgiel, aby stworzyć przemysłowe „ciasto”, które Lim mógł po prostu rozwałkować na arkusze o grubości zaledwie kilku tysięcznych cala. Wycięli z ciasta półcalowe krążki i złożyli je w proste obudowy baterii pastylkowych, aby przetestować skuteczność materiału jako elektrody superkondensatora.

Ich elektrody były nie tylko szybkie, proste i łatwe w syntezie, ale także miały pojemność co najmniej 127 procent większą niż sam aerożel bogaty w węgiel.

Lim i Crane spodziewają się, że aerożele wypełnione jeszcze cieńszymi arkuszami dwusiarczku molibdenu lub dwusiarczku wolframu – ich grubość miała około 10 do 100 atomów – wykazywałyby jeszcze lepszą wydajność. Najpierw jednak chcieli wykazać, że synteza obciążonych aerożeli byłaby szybsza i tańsza w syntezie, co stanowiło niezbędny krok w produkcji przemysłowej. Następnie następuje dostrajanie.

Zespół wierzy, że wysiłki te mogą pomóc w rozwoju nauki nawet poza dziedziną elektrod superkondensatorów. Ich dwusiarczek molibdenu zawieszony w aerożelu może pozostać wystarczająco stabilny, aby katalizować produkcję wodoru. Ich metodę szybkiego zatrzymywania materiałów w aerożelach można zastosować w akumulatorach o dużej pojemności lub w katalizie.