Superkondensatorët janë një lloj pajisjeje e quajtur me vend që mund të ruajë dhe të japë energji më shpejt se bateritë konvencionale. Ata janë në kërkesë të lartë për aplikime, duke përfshirë makinat elektrike, telekomunikimet pa tela dhe lazerët me fuqi të lartë.

Por për të realizuar këto aplikime, superkondensatorëve u duhen elektroda më të mira, të cilat lidhin superkondensatorin me pajisjet që varen nga energjia e tyre. Këto elektroda duhet të jenë më të shpejta dhe më të lira për t'u prodhuar në një shkallë të gjerë dhe gjithashtu të afta të ngarkojnë dhe shkarkojnë ngarkesën e tyre elektrike më shpejt. Një ekip inxhinierësh në Universitetin e Uashingtonit mendojnë se kanë dalë me një proces për prodhimin e materialeve të elektrodës superkondensatorësh që do të përmbushin këto kërkesa të rrepta industriale dhe të përdorimit.

Studiuesit, të udhëhequr nga asistent profesori i shkencës dhe inxhinierisë së materialeve në UW, Peter Pauzauskie, publikuan një punim më 17 korrik në revistën Nature Microsystems and Nanoengineering duke përshkruar elektrodën e tyre të superkondensatorit dhe mënyrën e shpejtë dhe të lirë që e bënë atë. Metoda e tyre e re fillon me materiale të pasura me karbon që janë tharë në një matricë me densitet të ulët të quajtur aerogel. Ky aerogel më vete mund të veprojë si një elektrodë e papërpunuar, por ekipi i Pauzauskie e dyfishoi kapacitetin e tij, që është aftësia e tij për të ruajtur ngarkesën elektrike.

Këto materiale fillestare të lira, të shoqëruara me një proces të thjeshtuar të sintezës, minimizojnë dy pengesa të zakonshme për aplikimin industrial: koston dhe shpejtësinë.

"Në aplikimet industriale, koha është para," tha Pauzauskie. “Ne mund të bëjmë materialet fillestare për këto elektroda në orë dhe jo në javë. Dhe kjo mund të ulë ndjeshëm koston e sintezës për prodhimin e elektrodave superkondensatorë me performancë të lartë.”

Elektrodat efektive superkondensatorë sintetizohen nga materiale të pasura me karbon që gjithashtu kanë një sipërfaqe të lartë. Kërkesa e fundit është kritike për shkak të mënyrës unike se si superkondensatorët ruajnë ngarkesën elektrike. Ndërsa një bateri konvencionale ruan ngarkesat elektrike nëpërmjet reaksioneve kimike që ndodhin brenda saj, një superkondensator ruan dhe ndan ngarkesat pozitive dhe negative drejtpërdrejt në sipërfaqen e tij.

"Superkondensatorët mund të veprojnë shumë më shpejt se bateritë, sepse ato nuk kufizohen nga shpejtësia e reaksionit ose nënproduktet që mund të formohen," tha bashkëautori Matthew Lim, një student i doktoraturës në UW në Departamentin e Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve. "Superkondensatorët mund të ngarkojnë dhe shkarkojnë shumë shpejt, kjo është arsyeja pse ata janë të shkëlqyeshëm në dhënien e këtyre 'pulseve' të fuqisë."

"Ata kanë aplikime të shkëlqyera në mjedise ku një bateri më vete është shumë e ngadaltë," tha autori kryesor Matthew Crane, një student i doktoraturës në Departamentin e Inxhinierisë Kimike të UW. "Në momentet kur një bateri është shumë e ngadaltë për të përmbushur kërkesat për energji, një superkondensator me një elektrodë me sipërfaqe të lartë mund të 'shkelet' shpejt dhe të kompensojë deficitin e energjisë."

Për të marrë sipërfaqen e lartë për një elektrodë efikase, ekipi përdori aerogel. Këto janë substanca të lagura, të ngjashme me xhel, që kanë kaluar një trajtim të veçantë tharjeje dhe ngrohjeje për të zëvendësuar përbërësit e tyre të lëngshëm me ajër ose gaz tjetër. Këto metoda ruajnë strukturën 3-D të xhelit, duke i dhënë atij një sipërfaqe të lartë dhe densitet jashtëzakonisht të ulët. Është si të hiqni të gjithë ujin nga Jell-O pa tkurrje.

"Një gram aerogel përmban pothuajse aq sipërfaqe sa një fushë futbolli," tha Pauzauskie.

Vinçi bëri aerogel nga një polimer i ngjashëm me xhel, një material me njësi strukturore të përsëritura, i krijuar nga formaldehidi dhe molekula të tjera me bazë karboni. Kjo siguroi që pajisja e tyre, si elektrodat e sotme të superkondensatorëve, të përbëhej nga materiale të pasura me karbon.

Më parë, Lim demonstroi se shtimi i grafenit - i cili është një fletë karboni me trashësi vetëm një atom - në xhel e mbushi aeroxhelin që rezulton me veti superkondensatorësh. Por, Lim dhe Crane duhej të përmirësonin performancën e aerogelit dhe ta bënin procesin e sintezës më të lirë dhe më të lehtë.

Në eksperimentet e mëparshme të Lim, shtimi i grafenit nuk e kishte përmirësuar kapacitetin e aerogelit. Kështu, në vend të kësaj ata ngarkuan aerogelët me fletë të holla ose disulfidi molibden ose disulfidi tungsteni. Të dy kimikatet përdoren gjerësisht sot në lubrifikantët industrialë.

Studiuesit i trajtuan të dy materialet me valë zanore me frekuencë të lartë për t'i ndarë në fletë të holla dhe i inkorporuan në matricën e xhelit të pasur me karbon. Ata mund të sintetizonin një xhel të lagësht të ngarkuar plotësisht në më pak se dy orë, ndërsa metodat e tjera do të zgjasin shumë ditë.

Pas marrjes së aerogelit të tharë, me densitet të ulët, ata e kombinuan atë me ngjitës dhe një material tjetër të pasur me karbon për të krijuar një "brumë" industrial, të cilin Lim thjesht mund ta hapte në fletë vetëm disa të mijtat e një inç të trashë. Ata prenë disqe gjysmë inç nga brumi dhe i montuan në këllëf të thjeshtë të baterive me qeliza monedhë për të testuar efektivitetin e materialit si një elektrodë superkondensator.

Jo vetëm që elektrodat e tyre ishin të shpejta, të thjeshta dhe të lehta për t'u sintetizuar, por ato gjithashtu kishin një kapacitet të paktën 127 përqind më të madh se vetëm aeroxheli i pasur me karbon.

Lim dhe Crane presin që aerogelët e ngarkuar me fletë edhe më të holla të disulfidit të molibdenit ose disulfidit të tungstenit—të tyre ishin rreth 10 deri në 100 atome të trasha—do të tregonin një performancë edhe më të mirë. Por së pari, ata donin të tregonin se aerogelët e ngarkuar do të ishin më të shpejtë dhe më të lirë për t'u sintetizuar, një hap i domosdoshëm për prodhimin industrial. Rregullimi i imët vjen më pas.

Ekipi beson se këto përpjekje mund të ndihmojnë në përparimin e shkencës edhe jashtë sferës së elektrodave superkondensator. Disulfidi i tyre i molibdenit i varur nga aerogel mund të mbetet mjaftueshëm i qëndrueshëm për të katalizuar prodhimin e hidrogjenit. Dhe metoda e tyre për të bllokuar materialet shpejt në aerogel mund të aplikohet në bateritë me kapacitet të lartë ose në katalizim.