Суперкондензатори су прикладно назван тип уређаја који може да складишти и испоручује енергију брже од конвенционалних батерија. Они су веома тражени за апликације укључујући електричне аутомобиле, бежичне телекомуникације и ласере велике снаге.

Али да би реализовали ове примене, суперкондензаторима су потребне боље електроде, које повезују суперкондензатор са уређајима који зависе од њихове енергије. Ове електроде морају бити и брже и јефтиније за производњу у великим размерама и такође могу брже да пуне и празне своје електрично оптерећење. Тим инжењера са Универзитета у Вашингтону мисли да су смислили процес за производњу материјала за суперкондензаторске електроде који ће задовољити ове строге индустријске и употребне захтеве.

Истраживачи, предвођени доцентом науке о материјалима и инжењерингом УВ Петером Паузауским, објавили су рад 17. јула у часопису Натуре Мицросистемс анд Наноенгинееринг у којем описују њихову суперкондензаторску електроду и брз и јефтин начин на који су је направили. Њихова нова метода почиње са материјалима богатим угљеником који су осушени у матрици ниске густине која се зове аерогел. Овај аерогел сам по себи може да делује као сирова електрода, али Паузаускијев тим је више него удвостручио свој капацитет, што је његова способност да складишти електрични набој.

Ови јефтини почетни материјали, заједно са поједностављеним процесом синтезе, минимизирају две уобичајене препреке индустријској примени: цену и брзину.

„У индустријским применама, време је новац“, рекао је Паузауские. „Почетне материјале за ове електроде можемо направити за неколико сати, а не за недеље. А то може значајно смањити трошкове синтезе за израду суперкондензаторских електрода високих перформанси.

Ефикасне суперкондензаторске електроде се синтетишу од материјала богатих угљеником који такође имају велику површину. Последњи захтев је критичан због јединственог начина на који суперкондензатори складиште електрични набој. Док конвенционална батерија складишти електрична наелектрисања путем хемијских реакција које се дешавају у њој, суперкондензатор уместо тога складишти и раздваја позитивна и негативна наелектрисања директно на својој површини.

„Суперкондензатори могу да делују много брже од батерија јер нису ограничени брзином реакције или нуспроизводима који се могу формирати“, рекао је главни аутор Метју Лим, студент докторских студија УВ на Одсеку за науку о материјалима и инжењерство. "Суперкондензатори могу да се пуне и празне веома брзо, због чега су одлични у испоруци ових 'импулса' снаге."

„Имају одличне апликације у окружењима где је батерија сама по себи преспора“, рекао је колега главни аутор Метју Крејн, докторант на УВ одељењу за хемијско инжењерство. „У тренуцима када је батерија преспора да би задовољила потребе за енергијом, суперкондензатор са електродом велике површине могао би брзо да се 'упали' и надокнадио енергетски дефицит.

Да би добили велику површину за ефикасну електроду, тим је користио аерогеле. То су влажне, геласте супстанце које су прошле кроз посебан третман сушења и загревања да би своје течне компоненте замениле ваздухом или другим гасом. Ове методе чувају 3-Д структуру гела, дајући му велику површину и изузетно ниску густину. То је као да уклоните сву воду из желеа без скупљања.

„Један грам аерогела садржи отприлике онолико површине колико и једно фудбалско игралиште“, рекао је Паузауские.

Цране је направио аерогеле од полимера налик гелу, материјала са понављајућим структурним јединицама, створеним од формалдехида и других молекула на бази угљеника. Ово је осигурало да се њихов уређај, као и данашње електроде суперкондензатора, састоји од материјала богатих угљеником.

Претходно, Лим је показао да додавање графена - који је слој угљеника дебљине само један атом - у гел прожима резултујући аерогел са својствима суперкондензатора. Али, Лим и Цране су морали да побољшају перформансе аерогела и учине процес синтезе јефтинијим и лакшим.

У претходним Лимовим експериментима, додавање графена није побољшало капацитет аерогела. Зато су уместо тога пунили аерогеле танким листовима молибден дисулфида или волфрамовог дисулфида. Обе хемикалије се данас широко користе у индустријским мазивима.

Истраживачи су третирали оба материјала високофреквентним звучним таласима како би их разбили на танке листове и уградили у матрицу гела богату угљеником. Могли су да синтетишу потпуно напуњен влажни гел за мање од два сата, док би за друге методе требало много дана.

Након што су добили осушени аерогел мале густине, комбиновали су га са лепком и другим материјалом богатим угљеником да би створили индустријско „тесто“, које је Лим могао једноставно да разваља у листове дебљине само неколико хиљадитих делова инча. Од теста су исекли дискове од пола инча и саставили их у једноставна кућишта батерија са дугмадима како би тестирали ефикасност материјала као суперкондензаторске електроде.

Не само да су њихове електроде биле брзе, једноставне и лаке за синтетизацију, већ су имале и капацитет за најмање 127 процената већи од самог аерогела богатог угљеником.

Лим и Цране очекују да ће аерогелови напуњени још тањим слојевима молибден дисулфида или волфрам дисулфида - били су дебели око 10 до 100 атома - показати још боље перформансе. Али прво су хтели да покажу да ће напуњени аерогел бити бржи и јефтинији за синтетизацију, што је неопходан корак за индустријску производњу. Следеће долази до финог подешавања.

Тим верује да ови напори могу помоћи напредовању науке чак и изван домена суперкондензаторских електрода. Њихов молибден дисулфид суспендован у аерогелу може остати довољно стабилан да катализује производњу водоника. А њихов метод за брзо хватање материјала у аерогеле могао би се применити на батерије високог капацитета или катализу.