Supercondensatorii sunt un tip de dispozitiv bine numit, care poate stoca și furniza energie mai rapid decât bateriile convenționale. Sunt la mare căutare pentru aplicații, inclusiv mașini electrice, telecomunicații fără fir și lasere de mare putere.

Dar pentru a realiza aceste aplicații, supercondensatorii au nevoie de electrozi mai buni, care conectează supercondensatorul la dispozitivele care depind de energia lor. Acești electrozi trebuie să fie atât mai rapidi, cât și mai ieftini de fabricat la scară largă și, de asemenea, să poată încărca și descărca sarcina electrică mai rapid. O echipă de ingineri de la Universitatea din Washington crede că a venit cu un proces de fabricare a materialelor pentru electrozi de supercondensator care va îndeplini aceste cerințe industriale și de utilizare stricte.

Cercetătorii, conduși de profesorul asistent UW de știința materialelor și inginerie Peter Pauzauskie, au publicat o lucrare pe 17 iulie în revista Nature Microsystems and Nanoengineering, care descrie electrodul lor supercondensator și modul rapid și ieftin în care l-au realizat. Metoda lor nouă începe cu materiale bogate în carbon care au fost uscate într-o matrice de densitate scăzută numită aerogel. Acest aerogel în sine poate acționa ca un electrod brut, dar echipa lui Pauzauskie și-a dublat capacitatea, care este capacitatea sa de a stoca sarcina electrică.

Aceste materii prime ieftine, cuplate cu un proces de sinteză simplificat, minimizează două bariere comune în calea aplicării industriale: costul și viteza.

„În aplicațiile industriale, timpul înseamnă bani”, a spus Pauzauskie. „Putem face materialele de pornire pentru acești electrozi în ore, mai degrabă decât în ​​săptămâni. Și asta poate reduce semnificativ costul de sinteză pentru fabricarea de electrozi supercondensatori de înaltă performanță.”

Electrozii de supercondensator eficienți sunt sintetizați din materiale bogate în carbon care au și o suprafață mare. Această din urmă cerință este critică din cauza modului unic în care supercondensatorii stochează sarcina electrică. În timp ce o baterie convențională stochează sarcini electrice prin reacțiile chimice care au loc în ea, un supercondensator stochează și separă sarcinile pozitive și negative direct pe suprafața sa.

„Supercondensatorii pot acționa mult mai repede decât bateriile, deoarece nu sunt limitați de viteza reacției sau a produselor secundare care se pot forma”, a spus co-autorul principal Matthew Lim, un doctorand UW la Departamentul de Știința Materialelor și Inginerie. „Supercondensatorii se pot încărca și descărca foarte repede, motiv pentru care sunt grozavi la furnizarea acestor „impulsuri” de putere.”

„Au aplicații grozave în setările în care o baterie singură este prea lentă”, a spus colegul autor principal, Matthew Crane, doctorand la Departamentul de Inginerie Chimică UW. „În momentele în care o baterie este prea lentă pentru a satisface cerințele de energie, un supercondensator cu un electrod cu suprafață mare ar putea să „intervină” rapid și să compenseze deficitul de energie.”

Pentru a obține o suprafață mare pentru un electrod eficient, echipa a folosit aerogeluri. Acestea sunt substanțe umede, asemănătoare gelului, care au trecut printr-un tratament special de uscare și încălzire pentru a-și înlocui componentele lichide cu aer sau alt gaz. Aceste metode păstrează structura 3-D a gelului, oferindu-i o suprafață mare și o densitate extrem de scăzută. Este ca și cum ai scoate toată apa din Jell-O fără a se micșora.

„Un gram de aerogel conține aproximativ aceeași suprafață ca un teren de fotbal”, a spus Pauzauskie.

Crane a făcut aerogeluri dintr-un polimer asemănător gelului, un material cu unități structurale repetate, creat din formaldehidă și alte molecule pe bază de carbon. Acest lucru a asigurat că dispozitivul lor, la fel ca electrozii supercondensatori de astăzi, ar fi format din materiale bogate în carbon.

Anterior, Lim a demonstrat că adăugarea de grafen – care este o foaie de carbon grosime de doar un atom – la gel a impregnat aerogelul rezultat cu proprietăți de supercondensator. Dar, Lim și Crane trebuiau să îmbunătățească performanța aerogelului și să facă procesul de sinteză mai ieftin și mai ușor.

În experimentele anterioare ale lui Lim, adăugarea grafenului nu a îmbunătățit capacitatea aerogelului. Deci, ei au încărcat aerogeluri cu foi subțiri fie de disulfură de molibden, fie de disulfură de wolfram. Ambele substanțe chimice sunt utilizate pe scară largă astăzi în lubrifianții industriali.

Cercetătorii au tratat ambele materiale cu unde sonore de înaltă frecvență pentru a le sparge în foițe subțiri și le-au încorporat în matricea de gel bogată în carbon. Ei ar putea sintetiza un gel umed complet încărcat în mai puțin de două ore, în timp ce alte metode ar dura multe zile.

După ce au obținut aerogelul uscat, de densitate scăzută, l-au combinat cu adezivi și un alt material bogat în carbon pentru a crea un „aluat” industrial, pe care Lim l-a putut întinde pur și simplu în foi de doar câteva miimi de inch grosime. Au tăiat discuri de jumătate de inch din aluat și le-au asamblat în carcase simple pentru bateriile tip monedă pentru a testa eficiența materialului ca electrod de supercondensator.

Nu numai că electrozii lor erau rapidi, simpli și ușor de sintetizat, dar aveau și o capacitate cu cel puțin 127% mai mare decât aerogelul bogat în carbon.

Lim și Crane se așteaptă ca aerogelurile încărcate cu foi și mai subțiri de bisulfură de molibden sau disulfură de wolfram - ale lor aveau o grosime de aproximativ 10 până la 100 de atomi - ar prezenta o performanță și mai bună. Dar mai întâi, au vrut să arate că aerogelurile încărcate ar fi mai rapid și mai ieftin de sintetizat, un pas necesar pentru producția industrială. Urmează reglajul fin.

Echipa crede că aceste eforturi pot ajuta la avansarea științei chiar și în afara domeniului electrozilor supercondensatori. Disulfura lor de molibden suspendată în aerogel ar putea rămâne suficient de stabilă pentru a cataliza producția de hidrogen. Și metoda lor de a prinde rapid materialele în aerogeluri ar putea fi aplicată bateriilor de mare capacitate sau catalizei.