Supercapacitors mangrupakeun hiji tipe aptly ngaranna alat nu bisa nyimpen jeung nganteurkeun énergi leuwih gancang ti accu konvensional. Aranjeunna dina paménta tinggi pikeun aplikasi kaasup mobil listrik, telekomunikasi nirkabel sarta lasers-Powered tinggi.

Tapi pikeun ngawujudkeun aplikasi ieu, superkapasitor peryogi éléktroda anu langkung saé, anu nyambungkeun superkapasitor kana alat anu gumantung kana énergina. Éléktroda ieu kedah langkung gancang sareng langkung mirah pikeun ngadamel dina skala ageung sareng ogé tiasa ngecas sareng ngaleungitkeun beban listrikna langkung gancang. Tim insinyur di Universitas Washington nyangka aranjeunna parantos ngadamel prosés pikeun ngahasilkeun bahan éléktroda supercapacitor anu bakal nyumponan tungtutan industri sareng panggunaan anu ketat ieu.

Para panalungtik, dipingpin ku asisten dosen UW élmu bahan jeung rékayasa Peter Pauzauskie, diterbitkeun kertas on July 17 dina jurnal Alam Microsystems na Nanoengineering ngajéntrékeun éléktroda supercapacitor maranéhanana sarta gancang, cara murah aranjeunna dijieun. Métode novélna dimimitian ku bahan anu beunghar karbon anu parantos dikeringkeun kana matriks dénsitas rendah anu disebut aerogel. Airgel Ieu sorangan bisa meta salaku éléktroda atah, tapi tim Pauzauskie urang leuwih ti dua kali capacitance na, nu kamampuhan pikeun nyimpen muatan listrik.

Bahan awal anu murah ieu, ditambah ku prosés sintésis anu lancar, ngaminimalkeun dua halangan umum pikeun aplikasi industri: biaya sareng laju.

"Dina aplikasi industri, waktos mangrupikeun artos," saur Pauzauskie. "Urang tiasa ngadamel bahan awal pikeun éléktroda ieu dina sababaraha jam, tinimbang minggu. Sareng éta sacara signifikan tiasa ngirangan biaya sintésis pikeun ngadamel éléktroda supercapacitor berprestasi tinggi.

Éléktroda superkapasitor anu épéktip disintésis tina bahan anu beunghar karbon anu ogé ngagaduhan permukaan anu luhur. Sarat anu terakhir penting pisan kusabab cara unik supercapacitors nyimpen muatan listrik. Bari batré konvensional nyimpen muatan listrik ngaliwatan réaksi kimiawi nu lumangsung di jerona, supercapacitor malah nyimpen jeung misahkeun muatan positif jeung negatif langsung dina beungeut cai.

"Supercapacitors bisa meta leuwih gancang ti accu sabab teu diwatesan ku laju réaksi atawa produk samping nu bisa ngabentuk," ceuk co-lead panulis Matthew Lim, a mahasiswa doktor UW di Departemen Bahan Élmu & Téknik. "Supercapacitors tiasa ngecas sareng ngecas gancang pisan, naha éta saé pikeun ngirimkeun kakuatan 'pulsa' ieu."

"Aranjeunna gaduh aplikasi anu saé dina setélan dimana batréna nyalira teuing lambat," saur sasama panulis pamimpin Matthew Crane, mahasiswa doktor di Jurusan Teknik Kimia UW. "Dina momen dimana batréna laun teuing pikeun nyumponan tungtutan énergi, supercapacitor kalayan éléktroda permukaan anu luhur tiasa 'nyepak' gancang sareng nyéépkeun kakurangan énergi."

Pikeun meunangkeun éléktroda anu éfisién, tim éta ngagunakeun aérogel. Ieu baseuh, zat kawas gél anu geus ngaliwatan perlakuan husus tina drying jeung pemanasan pikeun ngaganti komponén cair maranéhanana jeung hawa atawa gas sejen. Métode ieu ngajaga struktur 3-D gél, masihan aréa permukaan anu luhur sareng dénsitas pisan rendah. Éta sapertos ngaluarkeun sadaya cai tina Jell-O kalayan henteu nyusut.

"Salah gram airgel ngandung ngeunaan saloba aréa permukaan salaku hiji lapangan maén bal," ceuk Pauzauskie.

Crane dijieun aerogel tina polimér kawas gél, bahan jeung unit struktural repeating, dijieun tina formaldehida jeung molekul dumasar karbon lianna. Ieu mastikeun yén alatna, sapertos éléktroda supercapacitor ayeuna, bakal diwangun ku bahan anu beunghar karbon.

Saméméhna, Lim nunjukkeun yén nambahkeun graphene-anu mangrupa lambar karbon ngan hiji atom kandel-kana gél imbued aerogel hasilna mibanda sipat supercapacitor. Tapi, Lim jeung Crane diperlukeun pikeun ngaronjatkeun kinerja aerogel urang, sarta nyieun prosés sintésis langkung mirah tur gampang.

Dina percobaan Lim sateuacana, nambihan graphene henteu ningkatkeun kapasitansi aerogel. Ku kituna maranéhna gantina dieusian aerogels ku lambar ipis boh molybdenum disulfide atawa tungsten disulfide. Kadua bahan kimia ayeuna dianggo sacara lega dina pelumas industri.

Para panalungtik ngarawat duanana bahan ku gelombang sora frékuénsi luhur pikeun megatkeun aranjeunna nepi kana lambar ipis tur diasupkeun kana matrix gél-euyeub karbon. Éta tiasa nyintésis gél baseuh anu pinuh sarat dina waktos kirang ti dua jam, sedengkeun metode sanésna peryogi sababaraha dinten.

Sanggeus meunangkeun garing, low-dénsitas aerogel, aranjeunna digabungkeun jeung elém jeung bahan-euyeub karbon séjén pikeun nyieun hiji "adonan" industri, nu Lim saukur bisa gulung kaluar kana cadar ngan sababaraha saperseribu inci kandel. Aranjeunna motong cakram satengah inci tina adonan sarta dirakit kana casing batré sél koin basajan pikeun nguji efektivitas bahan salaku éléktroda supercapacitor.

Henteu ngan éta éléktroda maranéhna gancang, basajan tur gampang disintésis, tapi maranéhna ogé olahraga capacitance a sahanteuna 127 persen leuwih gede ti airgel-euyeub karbon nyalira.

Lim sareng Crane nyangka yén aérogel anu sarat ku lembar molibdenum disulfida atanapi tungsten disulfida anu langkung tipis - aranjeunna kandel sakitar 10 dugi ka 100 atom - bakal nunjukkeun prestasi anu langkung saé. Tapi mimitina, aranjeunna hoyong nunjukkeun yén aérogel anu dimuat bakal langkung gancang sareng langkung mirah pikeun disintésis, léngkah anu dipikabutuh pikeun produksi industri. fine-tuning datang salajengna.

Tim éta percaya yén usaha ieu tiasa ngabantosan kamajuan élmu bahkan di luar alam éléktroda supercapacitor. Molibdenum disulfida anu digantung ku aerogel tiasa tetep stabil pikeun ngatalisan produksi hidrogén. Jeung métode maranéhna pikeun bubu bahan gancang dina aerogels bisa dilarapkeun ka accu capacitance tinggi atawa katalisis.