Supercapacitors ni aina ya kifaa iliyopewa jina linalofaa inayoweza kuhifadhi na kutoa nishati haraka kuliko betri za kawaida. Zinahitajika sana kwa maombi ikiwa ni pamoja na magari ya umeme, mawasiliano ya simu bila waya na leza zenye nguvu nyingi.

Lakini ili kutambua maombi haya, supercapacitors zinahitaji electrodes bora, ambayo huunganisha supercapacitor kwa vifaa vinavyotegemea nishati zao. Elektrodi hizi zinahitaji kuwa za haraka na za bei nafuu kutengeneza kwa kiwango kikubwa na pia kuweza kuchaji na kutekeleza mzigo wao wa umeme haraka. Timu ya wahandisi katika Chuo Kikuu cha Washington wanafikiri wamekuja na mchakato wa kutengeneza nyenzo za elektrodi za supercapacitor ambazo zitakidhi mahitaji haya magumu ya viwanda na matumizi.

Watafiti hao, wakiongozwa na profesa msaidizi wa UW wa sayansi ya vifaa na uhandisi Peter Pauzauskie, walichapisha karatasi mnamo Julai 17 kwenye jarida la Nature Microsystems na Nanoengineering inayoelezea elektrodi yao ya juu na njia ya haraka, isiyo na gharama kubwa waliyoifanya. Mbinu yao ya riwaya huanza na nyenzo zenye kaboni nyingi ambazo zimekaushwa kwenye tumbo la chini-wiani linaloitwa aerogel. Airgel hii peke yake inaweza kufanya kazi kama elektrodi ghafi, lakini timu ya Pauzauskie iliongeza uwezo wake zaidi ya mara mbili, ambayo ni uwezo wake wa kuhifadhi chaji ya umeme.

Nyenzo hizi za kuanzia za bei nafuu, pamoja na mchakato wa usanisi ulioratibiwa, hupunguza vizuizi viwili vya kawaida kwa matumizi ya viwandani: gharama na kasi.

"Katika maombi ya viwandani, wakati ni pesa," Pauzauskie alisema. "Tunaweza kutengeneza vifaa vya kuanzia kwa elektroni hizi kwa masaa, badala ya wiki. Na hiyo inaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa gharama ya awali ya kutengeneza elektroni zenye utendaji wa juu wa supercapacitor.

Electrodes zinazofaa za supercapacitor huunganishwa kutoka kwa nyenzo zenye kaboni nyingi ambazo pia zina eneo la juu. Mahitaji ya mwisho ni muhimu kwa sababu ya njia ya kipekee ya supercapacitors kuhifadhi chaji ya umeme. Wakati betri ya kawaida huhifadhi chaji za umeme kupitia athari za kemikali zinazotokea ndani yake, supercapacitor badala yake huhifadhi na kutenganisha chaji chanya na hasi moja kwa moja kwenye uso wake.

"Supercapacitors inaweza kufanya kazi haraka zaidi kuliko betri kwa sababu hazizuiliwi na kasi ya athari au bidhaa zinazoweza kuunda," alisema mwandishi mwenza Matthew Lim, mwanafunzi wa udaktari wa UW katika Idara ya Sayansi ya Nyenzo na Uhandisi. "Supercapacitors wanaweza kuchaji na kutoa kwa haraka sana, ndiyo maana wana uwezo mkubwa katika kutoa 'mikondo' hii ya nguvu."

"Zina matumizi mazuri katika mipangilio ambapo betri yenyewe ni polepole sana," alisema mwandishi mwenzake kiongozi Matthew Crane, mwanafunzi wa udaktari katika Idara ya Uhandisi ya Kemikali ya UW. "Katika wakati ambapo betri ni polepole sana kukidhi mahitaji ya nishati, supercapacitor yenye elektrodi ya eneo la juu inaweza 'kupiga' haraka na kufidia upungufu wa nishati."

Ili kupata eneo la juu kwa electrode yenye ufanisi, timu ilitumia aerogels. Hizi ni vitu vyenye mvua, vinavyofanana na gel ambavyo vimepitia matibabu maalum ya kukausha na kupokanzwa ili kuchukua nafasi ya vipengele vyao vya kioevu na hewa au gesi nyingine. Njia hizi huhifadhi muundo wa 3-D wa gel, na kuipa eneo la juu la uso na msongamano wa chini sana. Ni kama kuondoa maji yote kwenye Jell-O bila kupungua.

"Gramu moja ya airgel ina eneo kubwa kama uwanja wa mpira," alisema Pauzauskie.

Crane ilifanya aerogels kutoka kwa polima kama gel, nyenzo yenye vitengo vya kimuundo vinavyorudiwa, vilivyoundwa kutoka kwa formaldehyde na molekuli nyingine za kaboni. Hii ilihakikisha kuwa kifaa chao, kama elektrodi za kisasa za capacitor, kingejumuisha nyenzo zenye kaboni nyingi.

Hapo awali, Lim alionyesha kuwa kuongeza graphene—ambayo ni karatasi ya kaboni yenye unene wa chembe moja tu—kwenye jeli ilijaza jeli ya hewa iliyotokana na sifa ya supercapacitor. Lakini, Lim na Crane walihitaji kuboresha utendakazi wa aerogel, na kufanya mchakato wa usanisi kuwa nafuu na rahisi.

Katika majaribio ya awali ya Lim, kuongeza graphene hakujaboresha uwezo wa aerogel. Kwa hivyo badala yake walipakia erojeli zenye karatasi nyembamba za ama molybdenum disulfide au disulfidi ya tungsten. Kemikali zote mbili hutumiwa sana leo katika mafuta ya viwandani.

Watafiti walishughulikia nyenzo zote mbili na mawimbi ya sauti ya masafa ya juu ili kuzivunja kuwa karatasi nyembamba na kuziingiza kwenye tumbo la jeli yenye kaboni. Wangeweza kuunganisha gel ya mvua iliyojaa kikamilifu chini ya saa mbili, wakati njia zingine zingechukua siku nyingi.

Baada ya kupata erojeli iliyokaushwa, isiyo na msongamano wa chini, waliiunganisha na vibandiko na nyenzo nyingine iliyojaa kaboni ili kuunda “unga” wa viwandani, ambao Lim angeweza kuukunja kwa urahisi kwenye karatasi zenye unene wa elfu chache tu za inchi moja. Walikata diski za nusu inchi kutoka kwenye unga na kuzikusanya kwenye vifuko rahisi vya betri ya seli ili kujaribu utendakazi wa nyenzo kama elektrodi kuu ya capacitor.

Sio tu kwamba elektroni zao zilikuwa za haraka, rahisi na rahisi kusanisi, lakini pia zilikuwa na uwezo wa angalau asilimia 127 kuliko airgel yenye utajiri wa kaboni pekee.

Lim na Crane wanatarajia kwamba erojeli zilizopakiwa hata karatasi nyembamba zaidi za molybdenum disulfide au tungsten disulfide—zao zilikuwa na unene wa atomi 10 hadi 100—zingeonyesha utendakazi bora zaidi. Lakini kwanza, walitaka kuonyesha kwamba aerogels zilizopakiwa zitakuwa za haraka na za bei nafuu kuunganisha, hatua muhimu kwa uzalishaji wa viwanda. Urekebishaji mzuri unakuja ijayo.

Timu inaamini kuwa juhudi hizi zinaweza kusaidia kuendeleza sayansi hata nje ya eneo la elektroni za supercapacitor. Disulfidi yao ya molybdenum iliyosimamishwa kwa erojeli inaweza kubaki thabiti vya kutosha ili kuchochea uzalishaji wa hidrojeni. Na njia yao ya kunasa nyenzo haraka katika erojeli inaweza kutumika kwa betri zenye uwezo wa juu au kichocheo.