Superkondensatorer är en passande typ av enhet som kan lagra och leverera energi snabbare än konventionella batterier. De är mycket efterfrågade för applikationer inklusive elbilar, trådlös telekommunikation och kraftfulla lasrar.

Men för att förverkliga dessa applikationer behöver superkondensatorer bättre elektroder, som ansluter superkondensatorn till enheterna som är beroende av deras energi. Dessa elektroder måste vara både snabbare och billigare att tillverka i stor skala och även kunna ladda och ladda ur sin elektriska belastning snabbare. Ett team av ingenjörer vid University of Washington tror att de har kommit fram till en process för att tillverka superkondensatorelektrodmaterial som kommer att möta dessa stränga industri- och användningskrav.

Forskarna, ledda av UW biträdande professor i materialvetenskap och teknik Peter Pauzauskie, publicerade en artikel den 17 juli i tidskriften Nature Microsystems and Nanoengineering som beskrev deras superkondensatorelektrod och det snabba, billiga sättet de gjorde den på. Deras nya metod börjar med kolrika material som har torkats till en matris med låg densitet som kallas aerogel. Denna aerogel på egen hand kan fungera som en rå elektrod, men Pauzauskies team mer än fördubblade sin kapacitans, vilket är dess förmåga att lagra elektrisk laddning.

Dessa billiga utgångsmaterial, tillsammans med en strömlinjeformad syntesprocess, minimerar två vanliga hinder för industriell tillämpning: kostnad och hastighet.

"I industriella tillämpningar är tid pengar," sa Pauzauskie. "Vi kan göra utgångsmaterialen för dessa elektroder på timmar, snarare än veckor. Och det kan avsevärt minska synteskostnaden för att tillverka högpresterande superkondensatorelektroder."

Effektiva superkondensatorelektroder är syntetiserade av kolrika material som också har en stor yta. Det senare kravet är kritiskt på grund av det unika sättet att lagra elektrisk laddning i superkondensatorer. Medan ett konventionellt batteri lagrar elektriska laddningar via de kemiska reaktioner som sker inom det, lagrar och separerar en superkondensator istället positiva och negativa laddningar direkt på dess yta.

"Superkondensatorer kan agera mycket snabbare än batterier eftersom de inte begränsas av reaktionshastigheten eller biprodukter som kan bildas", säger medförfattare Matthew Lim, en doktorand vid UW vid Institutionen för materialvetenskap och teknik. "Superkondensatorer kan laddas och laddas ur väldigt snabbt, vilket är anledningen till att de är fantastiska på att leverera dessa "pulser" av kraft."

"De har fantastiska applikationer i miljöer där ett batteri i sig är för långsamt", säger huvudförfattaren Matthew Crane, doktorand vid UW Department of Chemical Engineering. "I stunder där ett batteri är för långsamt för att möta energibehovet, kan en superkondensator med en elektrod med stor ytarea "sparka in" snabbt och kompensera för energiunderskottet."

För att få den höga ytan för en effektiv elektrod använde teamet aerogeler. Dessa är våta, gelliknande ämnen som har genomgått en speciell behandling av torkning och uppvärmning för att ersätta deras flytande komponenter med luft eller annan gas. Dessa metoder bevarar gelens 3D-struktur, vilket ger den en hög yta och extremt låg densitet. Det är som att ta bort allt vatten ur Jell-O utan att krympa.

"Ett gram aerogel innehåller ungefär lika mycket yta som en fotbollsplan", sa Pauzauskie.

Crane gjorde aerogeler av en gelliknande polymer, ett material med upprepade strukturella enheter, skapat av formaldehyd och andra kolbaserade molekyler. Detta säkerställde att deras enhet, liksom dagens superkondensatorelektroder, skulle bestå av kolrika material.

Tidigare har Lim visat att tillsats av grafen - som är ett ark av kol bara en atom tjockt - till gelén genomsyrade den resulterande aerogelen med superkondensatoregenskaper. Men Lim och Crane behövde förbättra aerogelens prestanda och göra syntesprocessen billigare och enklare.

I Lims tidigare experiment hade tillsatsen av grafen inte förbättrat aerogelens kapacitans. Så de laddade istället aerogeler med tunna ark av antingen molybdendisulfid eller volframdisulfid. Båda kemikalierna används i stor utsträckning idag i industriella smörjmedel.

Forskarna behandlade båda materialen med högfrekventa ljudvågor för att bryta upp dem i tunna ark och införlivade dem i den kolrika gelmatrisen. De kunde syntetisera en fulladdad våt gel på mindre än två timmar, medan andra metoder skulle ta många dagar.

Efter att ha erhållit den torkade aerogelen med låg densitet kombinerade de den med lim och ett annat kolrikt material för att skapa en industriell "deg", som Lim helt enkelt kunde kavla ut till ark bara några tusendels tum tjocka. De skar halvtumsskivor från degen och satte ihop dem till enkla knappcellsbatterihöljen för att testa materialets effektivitet som superkondensatorelektrod.

Inte bara var deras elektroder snabba, enkla och lätta att syntetisera, utan de hade också en kapacitans som var minst 127 procent större än enbart den kolrika aerogelen.

Lim och Crane förväntar sig att aerogeler laddade med ännu tunnare ark av molybdendisulfid eller volframdisulfid - deras var cirka 10 till 100 atomer tjocka - skulle visa en ännu bättre prestanda. Men först ville de visa att laddade aerogeler skulle vara snabbare och billigare att syntetisera, ett nödvändigt steg för industriell produktion. Finjusteringen kommer härnäst.

Teamet tror att dessa ansträngningar kan bidra till att främja vetenskapen även utanför riket av superkondensatorelektroder. Deras aerogel-suspenderade molybdendisulfid kan förbli tillräckligt stabila för att katalysera väteproduktion. Och deras metod för att fånga material snabbt i aerogeler skulle kunna tillämpas på batterier med hög kapacitans eller katalys.