Superkondenzatorji so primerno imenovana vrsta naprave, ki lahko shranjuje in oddaja energijo hitreje kot običajne baterije. Po njih je veliko povpraševanje po aplikacijah, vključno z električnimi avtomobili, brezžičnimi telekomunikacijami in zmogljivimi laserji.

Toda za uresničitev teh aplikacij potrebujejo superkondenzatorji boljše elektrode, ki povezujejo superkondenzator z napravami, ki so odvisne od njihove energije. Te elektrode morajo biti hitrejše in cenejše za izdelavo v velikem obsegu ter morajo hitreje polniti in prazniti svoje električno breme. Skupina inženirjev na Univerzi v Washingtonu meni, da je iznašla postopek za izdelavo materialov za elektrode superkondenzatorjev, ki bodo izpolnjevali te stroge industrijske in uporabniške zahteve.

Raziskovalci, ki jih vodi asistent profesor znanosti o materialih in inženiringa Peter Pauzauskie, so 17. julija objavili članek v reviji Nature Microsystems and Nanoengineering, v katerem so opisali njihovo superkondenzatorsko elektrodo ter hiter in poceni način, kako so jo izdelali. Njihova nova metoda se začne z materiali, bogatimi z ogljikom, ki so bili posušeni v matrico z nizko gostoto, imenovano aerogel. Ta aerogel sam po sebi lahko deluje kot surova elektroda, vendar je Pauzauskiejeva ekipa več kot podvojila svojo kapacitivnost, kar je njegova sposobnost shranjevanja električnega naboja.

Ti poceni vhodni materiali, skupaj z racionaliziranim procesom sinteze, zmanjšajo dve pogosti oviri za industrijsko uporabo: stroške in hitrost.

"V industrijskih aplikacijah je čas denar," je dejal Pauzauskie. »Izhodne materiale za te elektrode lahko naredimo v urah in ne v tednih. In to lahko znatno zniža stroške sinteze za izdelavo visokozmogljivih superkondenzatorskih elektrod.«

Učinkovite elektrode superkondenzatorja so sintetizirane iz materialov, bogatih z ogljikom, ki imajo tudi veliko površino. Slednja zahteva je kritična zaradi edinstvenega načina, kako superkondenzatorji shranjujejo električni naboj. Medtem ko običajna baterija shranjuje električne naboje prek kemičnih reakcij, ki potekajo v njej, superkondenzator namesto tega shranjuje in ločuje pozitivne in negativne naboje neposredno na svoji površini.

"Superkondenzatorji lahko delujejo veliko hitreje kot baterije, ker niso omejeni s hitrostjo reakcije ali stranskimi produkti, ki lahko nastanejo," je povedal sovoditelj Matthew Lim, doktorski študent UW na oddelku za znanost in inženirstvo materialov. "Superkondenzatorji se lahko napolnijo in izpraznijo zelo hitro, zato so odlični pri zagotavljanju teh 'pulzov' moči."

"Imajo odlične aplikacije v nastavitvah, kjer je baterija sama po sebi prepočasna," je povedal kolega glavni avtor Matthew Crane, doktorski študent na Oddelku za kemijsko inženirstvo UW. "V trenutkih, ko je baterija prepočasna, da bi zadovoljila potrebe po energiji, bi lahko superkondenzator z visoko površinsko elektrodo hitro 'brcnil' in nadomestil primanjkljaj energije."

Da bi dobili visoko površino za učinkovito elektrodo, je ekipa uporabila aerogele. To so mokre, gelaste snovi, ki so šle skozi posebno obdelavo sušenja in segrevanja, da se njihove tekoče komponente nadomestijo z zrakom ali drugim plinom. Te metode ohranjajo 3-D strukturo gela, kar mu daje visoko površino in izjemno nizko gostoto. Kot da bi odstranili vso vodo iz Jell-O brez krčenja.

"En gram aerogela vsebuje približno toliko površine kot eno nogometno igrišče," je dejal Pauzauskie.

Crane je naredil aerogele iz gela podobnega polimera, materiala s ponavljajočimi se strukturnimi enotami, ustvarjenega iz formaldehida in drugih molekul na osnovi ogljika. To je zagotovilo, da bo njihova naprava, tako kot današnje elektrode superkondenzatorjev, sestavljena iz materialov, bogatih z ogljikom.

Prej je Lim pokazal, da je dodajanje grafena - ki je plošča ogljika, debela samo en atom - v gel prepojila nastali aerogel z lastnostmi superkondenzatorja. Toda Lim in Crane sta morala izboljšati delovanje aerogela ter narediti postopek sinteze cenejši in lažji.

V Limovih prejšnjih poskusih dodajanje grafena ni izboljšalo kapacitivnosti aerogela. Zato so namesto tega naložili aerogele s tankimi ploščami molibdenovega disulfida ali volframovega disulfida. Obe kemikaliji se danes pogosto uporabljata v industrijskih mazivih.

Raziskovalci so oba materiala obdelali z visokofrekvenčnimi zvočnimi valovi, da bi ju razbili na tanke plošče in ju vključili v z ogljikom bogato gelsko matrico. Lahko bi sintetizirali popolnoma napolnjen mokri gel v manj kot dveh urah, medtem ko bi druge metode trajale več dni.

Ko so pridobili posušen aerogel z nizko gostoto, so ga združili z lepili in drugim materialom, bogatim z ogljikom, da bi ustvarili industrijsko "testo", ki bi ga lahko Lim preprosto razvaljal na liste, debele le nekaj tisočink palca. Iz testa so izrezali pol-palčne diske in jih sestavili v preprosta ohišja gumbastih baterij, da bi preizkusili učinkovitost materiala kot elektrode superkondenzatorja.

Ne le, da so bile njihove elektrode hitre, preproste in enostavne za sintetiziranje, ampak so imele tudi vsaj 127 odstotkov večjo kapacitivnost kot sam aerogel, bogat z ogljikom.

Lim in Crane pričakujeta, da bi aerogeli, polnjeni s še tanjšimi ploščami molibdenovega disulfida ali volframovega disulfida - njihovi debelini so bili približno 10 do 100 atomov - pokazali še boljše delovanje. Najprej pa so želeli pokazati, da bi bilo naložene aerogele hitreje in ceneje sintetizirati, kar je nujen korak za industrijsko proizvodnjo. Sledi fina nastavitev.

Ekipa verjame, da lahko ta prizadevanja pomagajo napredovati v znanosti tudi zunaj področja elektrod superkondenzatorja. Njihov molibdenov disulfid, suspendiran v aerogelu, lahko ostane dovolj stabilen, da katalizira proizvodnjo vodika. In njihovo metodo za hitro lovljenje materialov v aerogelih bi lahko uporabili za baterije z visoko kapacitivnostjo ali katalizo.