Superkondenzátory sú vhodne pomenovaný typ zariadenia, ktoré dokáže ukladať a dodávať energiu rýchlejšie ako bežné batérie. Sú veľmi žiadané pre aplikácie vrátane elektrických áut, bezdrôtových telekomunikácií a vysokovýkonných laserov.

Na realizáciu týchto aplikácií však superkondenzátory potrebujú lepšie elektródy, ktoré spájajú superkondenzátor so zariadeniami, ktoré závisia od ich energie. Tieto elektródy musia byť rýchlejšie a lacnejšie na výrobu vo veľkom meradle a tiež musia byť schopné rýchlejšie nabíjať a vybíjať svoju elektrickú záťaž. Tím inžinierov z University of Washington si myslí, že prišli s procesom výroby superkondenzátorových elektródových materiálov, ktoré budú spĺňať tieto prísne priemyselné a užívateľské požiadavky.

Výskumníci pod vedením UW asistenta profesora materiálovej vedy a inžinierstva Petrom Pauzauskiem publikovali 17. júla v časopise Nature Microsystems and Nanoengineering článok popisujúci ich superkondenzátorovú elektródu a rýchly a nenákladný spôsob, akým ju vyrobili. Ich nová metóda začína materiálmi bohatými na uhlík, ktoré boli vysušené do matrice s nízkou hustotou nazývanej aerogél. Tento aerogél sám o sebe môže pôsobiť ako surová elektróda, ale Pauzauskieho tím viac ako zdvojnásobil jeho kapacitu, čo je jeho schopnosť uchovávať elektrický náboj.

Tieto lacné východiskové materiály v spojení s efektívnym procesom syntézy minimalizujú dve bežné prekážky pri priemyselnej aplikácii: náklady a rýchlosť.

„V priemyselných aplikáciách sú čas peniaze,“ povedal Pauzauskie. „Východiskové materiály pre tieto elektródy dokážeme vyrobiť za niekoľko hodín, a nie týždňov. A to môže výrazne znížiť náklady na syntézu na výrobu vysokovýkonných superkondenzátorových elektród.“

Efektívne superkondenzátorové elektródy sú syntetizované z materiálov bohatých na uhlík, ktoré majú tiež veľký povrch. Posledná požiadavka je kritická kvôli jedinečnému spôsobu, akým superkondenzátory uchovávajú elektrický náboj. Zatiaľ čo bežná batéria ukladá elektrické náboje prostredníctvom chemických reakcií, ktoré v nej prebiehajú, superkondenzátor namiesto toho ukladá a oddeľuje kladné a záporné náboje priamo na svojom povrchu.

"Superkondenzátory môžu pôsobiť oveľa rýchlejšie ako batérie, pretože nie sú obmedzené rýchlosťou reakcie alebo vedľajšími produktmi, ktoré sa môžu vytvárať," povedal spoluautor Matthew Lim, doktorand UW na Katedre materiálovej vedy a inžinierstva. "Superkondenzátory sa môžu nabíjať a vybíjať veľmi rýchlo, a preto sú skvelé v poskytovaní týchto "impulzov" energie."

"Majú skvelé aplikácie v prostrediach, kde je batéria sama o sebe príliš pomalá," povedal vedúci autor Matthew Crane, doktorand na oddelení chemického inžinierstva UW. „V momentoch, keď je batéria príliš pomalá na to, aby pokryla energetické požiadavky, by sa superkondenzátor s elektródou s veľkým povrchom mohol rýchlo „nakopnúť“ a nahradiť energetický deficit.“

Na získanie vysokej povrchovej plochy pre účinnú elektródu tím použil aerogély. Ide o vlhké, gélovité látky, ktoré prešli špeciálnou úpravou sušením a zahrievaním, aby ich tekuté zložky nahradili vzduchom alebo iným plynom. Tieto metódy zachovávajú 3-D štruktúru gélu, čo mu dáva veľký povrch a extrémne nízku hustotu. Je to ako odstrániť všetku vodu z Jell-O bez zmršťovania.

"Jeden gram aerogélu obsahuje približne toľko plochy ako jedno futbalové ihrisko," povedal Pauzauskie.

Crane vyrobil aerogély z gélovitého polyméru, materiálu s opakujúcimi sa štruktúrnymi jednotkami, vytvorených z formaldehydu a iných molekúl na báze uhlíka. To zabezpečilo, že ich zariadenie, podobne ako dnešné elektródy superkondenzátora, bude pozostávať z materiálov bohatých na uhlík.

Predtým Lim demonštroval, že pridanie grafénu - čo je vrstva uhlíka s hrúbkou len jedného atómu - do gélu naplnila výsledný aerogél vlastnosťami superkondenzátora. Lim a Crane však potrebovali zlepšiť výkonnosť aerogélu a zlacniť a zjednodušiť proces syntézy.

V Limových predchádzajúcich experimentoch pridanie grafénu nezlepšilo kapacitu aerogélu. Namiesto toho naplnili aerogély tenkými vrstvami buď disulfidu molybdénu alebo disulfidu wolfrámu. Obidve chemikálie sa dnes široko používajú v priemyselných mazivách.

Vedci ošetrili oba materiály vysokofrekvenčnými zvukovými vlnami, aby ich rozbili na tenké pláty a začlenili ich do gélovej matrice bohatej na uhlík. Dokázali syntetizovať plne naplnený vlhký gél za menej ako dve hodiny, zatiaľ čo iné metódy by trvali mnoho dní.

Po získaní vysušeného aerogélu s nízkou hustotou ho skombinovali s lepidlami a iným materiálom bohatým na uhlík, aby vytvorili priemyselné „cesto“, ktoré Lim mohol jednoducho rozvaľkať na pláty hrubé len niekoľko tisícin palca. Z cesta vyrezali polpalcové kotúče a zostavili ich do jednoduchých puzdier na gombíkové batérie, aby otestovali účinnosť materiálu ako elektródy superkondenzátora.

Ich elektródy boli nielen rýchle, jednoduché a ľahko syntetizovateľné, ale mali tiež kapacitu najmenej o 127 percent väčšiu ako samotný aerogél bohatý na uhlík.

Lim a Crane očakávajú, že aerogély naložené ešte tenšími vrstvami disulfidu molybdénu alebo disulfidu volfrámu - ich hrúbka bola asi 10 až 100 atómov - by vykazovali ešte lepší výkon. Najprv však chceli ukázať, že naložené aerogély by bolo možné syntetizovať rýchlejšie a lacnejšie, čo je nevyhnutný krok pre priemyselnú výrobu. Nasleduje jemné ladenie.

Tím verí, že tieto snahy môžu pomôcť posunúť vedu aj mimo sféry superkondenzátorových elektród. Ich disulfid molybdénu suspendovaný v aerogéli môže zostať dostatočne stabilný na to, aby katalyzoval produkciu vodíka. A ich metóda na rýchle zachytávanie materiálov v aerogéloch by sa mohla použiť na vysokokapacitné batérie alebo katalýzu.