Суперконденсаторы — это метко названный тип устройств, которые могут хранить и доставлять энергию быстрее, чем обычные батареи. Они пользуются большим спросом в таких областях, как электромобили, беспроводные телекоммуникации и мощные лазеры.

Но для реализации этих приложений суперконденсаторам нужны более качественные электроды, которые соединяют суперконденсатор с устройствами, зависящими от их энергии. Эти электроды должны быть быстрее и дешевле, чтобы их можно было производить в больших масштабах, а также должны быть способны быстрее заряжать и разряжать электрическую нагрузку. Команда инженеров Вашингтонского университета считает, что они разработали процесс производства материалов для электродов суперконденсаторов, который будет отвечать этим строгим промышленным и потребительским требованиям.

Исследователи под руководством доцента кафедры материаловедения и инженерии Университета Вашингтона Питера Паузауски опубликовали 17 июля в журнале Nature Microsystems and Nanoengineering статью, описывающую электрод суперконденсатора и быстрый и недорогой способ его изготовления. Их новый метод начинается с использования богатых углеродом материалов, которые высушиваются в матрицу низкой плотности, называемую аэрогелем. Этот аэрогель сам по себе может действовать как грубый электрод, но команда Паузауски более чем удвоила его емкость, то есть способность накапливать электрический заряд.

Эти недорогие исходные материалы в сочетании с оптимизированным процессом синтеза сводят к минимуму два распространенных препятствия для промышленного применения: стоимость и скорость.

«В промышленности время — деньги», — сказал Паузауски. «Мы можем изготовить исходные материалы для этих электродов за часы, а не за недели. И это может значительно снизить стоимость синтеза для изготовления высокопроизводительных электродов суперконденсатора».

Эффективные электроды суперконденсаторов синтезируются из богатых углеродом материалов, которые также имеют большую площадь поверхности. Последнее требование имеет решающее значение из-за уникального способа хранения электрического заряда в суперконденсаторах. В то время как обычная батарея накапливает электрические заряды посредством химических реакций, происходящих внутри нее, суперконденсатор вместо этого хранит и разделяет положительные и отрицательные заряды непосредственно на своей поверхности.

«Суперконденсаторы могут действовать намного быстрее, чем батареи, потому что они не ограничены скоростью реакции или побочными продуктами, которые могут образовываться», — сказал соавтор Мэтью Лим, аспирант факультета материаловедения и инженерии Университета Вашингтона. «Суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться очень быстро, поэтому они отлично справляются с созданием таких «импульсов» энергии».

«У них есть отличные применения в условиях, когда батарея сама по себе работает слишком медленно», — сказал ведущий автор Мэтью Крейн, аспирант факультета химической инженерии Университета Вашингтона. «В моменты, когда батарея работает слишком медленно, чтобы удовлетворить потребности в энергии, суперконденсатор с электродом с большой площадью поверхности может быстро «сработать» и восполнить дефицит энергии».

Чтобы получить большую площадь поверхности эффективного электрода, команда использовала аэрогели. Это влажные гелеобразные вещества, прошедшие специальную обработку сушкой и нагреванием для замены жидких компонентов воздухом или другим газом. Эти методы сохраняют трехмерную структуру геля, придавая ему большую площадь поверхности и чрезвычайно низкую плотность. Это все равно, что удалить всю воду из желе без усадки.

«Один грамм аэрогеля содержит примерно такую ​​же площадь поверхности, как одно футбольное поле», — сказал Паузауски.

Крейн создал аэрогели из гелеобразного полимера, материала с повторяющимися структурными единицами, созданного из формальдегида и других молекул на основе углерода. Это гарантировало, что их устройство, как и современные электроды суперконденсатора, будет состоять из материалов, богатых углеродом.

Ранее Лим продемонстрировал, что добавление графена — листа углерода толщиной всего в один атом — к гелю придало полученному аэрогелю свойства суперконденсатора. Но Лиму и Крэйну нужно было улучшить характеристики аэрогеля, а также сделать процесс синтеза более дешевым и простым.

В предыдущих экспериментах Лима добавление графена не улучшило емкость аэрогеля. Поэтому вместо этого они наполнили аэрогели тонкими листами дисульфида молибдена или дисульфида вольфрама. Оба химиката сегодня широко используются в промышленных смазочных материалах.

Исследователи обработали оба материала высокочастотными звуковыми волнами, чтобы разбить их на тонкие листы и включить в богатую углеродом гелевую матрицу. Они смогли синтезировать полностью насыщенный влажный гель менее чем за два часа, в то время как другие методы заняли бы много дней.

Получив высушенный аэрогель низкой плотности, они объединили его с клеями и другим богатым углеродом материалом, чтобы создать промышленное «тесто», которое Лим мог просто раскатать в листы толщиной всего в несколько тысячных долей дюйма. Они вырезали из теста полудюймовые диски и собрали их в простые корпуса батарейки типа «таблетка», чтобы проверить эффективность материала в качестве электрода суперконденсатора.

Их электроды не только были быстрыми, простыми и легкими в синтезе, но и имели емкость как минимум на 127 процентов большую, чем один только богатый углеродом аэрогель.

Лим и Крейн ожидают, что аэрогели, наполненные еще более тонкими листами дисульфида молибдена или дисульфида вольфрама (их толщина составляла от 10 до 100 атомов), будут показывать еще лучшие характеристики. Но сначала они хотели показать, что насыщенные аэрогели можно будет синтезировать быстрее и дешевле, что является необходимым шагом для промышленного производства. Далее идет тонкая настройка.

Команда считает, что эти усилия могут помочь развитию науки даже за пределами области электродов суперконденсаторов. Их дисульфид молибдена, суспендированный в аэрогеле, может оставаться достаточно стабильным, чтобы катализировать производство водорода. А их метод быстрого улавливания материалов в аэрогелях можно применить к батареям высокой емкости или катализу.