సూపర్ కెపాసిటర్లు సాంప్రదాయ బ్యాటరీల కంటే వేగంగా శక్తిని నిల్వ చేయగల మరియు బట్వాడా చేయగల సముచితమైన పేరు గల పరికరం. ఎలక్ట్రిక్ కార్లు, వైర్‌లెస్ టెలికమ్యూనికేషన్స్ మరియు అధిక శక్తితో పనిచేసే లేజర్‌లతో సహా అప్లికేషన్‌లకు వారికి అధిక డిమాండ్ ఉంది.

కానీ ఈ అనువర్తనాలను గ్రహించడానికి, సూపర్ కెపాసిటర్‌లకు మెరుగైన ఎలక్ట్రోడ్‌లు అవసరం, ఇవి సూపర్ కెపాసిటర్‌ను వాటి శక్తిపై ఆధారపడిన పరికరాలకు కనెక్ట్ చేస్తాయి. ఈ ఎలక్ట్రోడ్‌లు పెద్ద ఎత్తున తయారు చేయడానికి వేగంగా మరియు చౌకగా ఉండాలి మరియు వాటి విద్యుత్ లోడ్‌ను వేగంగా ఛార్జ్ చేయగలవు మరియు విడుదల చేయగలవు. యూనివర్శిటీ ఆఫ్ వాషింగ్టన్‌లోని ఇంజనీర్ల బృందం ఈ కఠినమైన పారిశ్రామిక మరియు వినియోగ డిమాండ్‌లను తీర్చగల సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి ఒక ప్రక్రియతో ముందుకు వచ్చినట్లు భావిస్తోంది.

UW అసిస్టెంట్ ప్రొఫెసర్ ఆఫ్ మెటీరియల్స్ సైన్స్ అండ్ ఇంజనీరింగ్ పీటర్ పౌజౌస్కీ నేతృత్వంలోని పరిశోధకులు జూలై 17న నేచర్ మైక్రోసిస్టమ్స్ అండ్ నానోఇంజనీరింగ్ జర్నల్‌లో తమ సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్ మరియు వేగవంతమైన, చవకైన మార్గం గురించి వివరిస్తూ ఒక పేపర్‌ను ప్రచురించారు. వారి నవల పద్ధతి ఏరోజెల్ అని పిలువబడే తక్కువ-సాంద్రత మాతృకలో ఎండబెట్టిన కార్బన్-రిచ్ పదార్థాలతో ప్రారంభమవుతుంది. ఈ ఎయిర్‌జెల్ దానికదే ముడి ఎలక్ట్రోడ్‌గా పని చేస్తుంది, అయితే పౌజౌస్కీ బృందం దాని కెపాసిటెన్స్‌ని రెట్టింపు చేసింది, ఇది ఎలక్ట్రిక్ చార్జ్‌ని నిల్వ చేయగల సామర్థ్యం.

ఈ చవకైన ప్రారంభ పదార్థాలు, క్రమబద్ధీకరించబడిన సంశ్లేషణ ప్రక్రియతో పాటు, పారిశ్రామిక అనువర్తనానికి రెండు సాధారణ అడ్డంకులను తగ్గిస్తాయి: ఖర్చు మరియు వేగం.

"పారిశ్రామిక అనువర్తనాల్లో, సమయం డబ్బు," పౌజాస్కీ చెప్పారు. “మేము ఈ ఎలక్ట్రోడ్‌ల కోసం ప్రారంభ పదార్థాలను వారాలలో కాకుండా గంటలలో తయారు చేయవచ్చు. మరియు అది అధిక-పనితీరు గల సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌లను తయారు చేయడానికి సంశ్లేషణ వ్యయాన్ని గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది.

ప్రభావవంతమైన సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు అధిక ఉపరితల వైశాల్యాన్ని కలిగి ఉండే కార్బన్-రిచ్ పదార్థాల నుండి సంశ్లేషణ చేయబడతాయి. సూపర్ కెపాసిటర్లు ఎలెక్ట్రిక్ చార్జ్‌ని నిల్వ చేసే ఏకైక మార్గం కారణంగా రెండో అవసరం చాలా కీలకం. సాంప్రదాయిక బ్యాటరీ దానిలో సంభవించే రసాయన ప్రతిచర్యల ద్వారా విద్యుత్ చార్జీలను నిల్వ చేస్తుంది, బదులుగా ఒక సూపర్ కెపాసిటర్ దాని ఉపరితలంపై నేరుగా సానుకూల మరియు ప్రతికూల ఛార్జీలను నిల్వ చేస్తుంది మరియు వేరు చేస్తుంది.

"సూపర్ కెపాసిటర్లు బ్యాటరీల కంటే చాలా వేగంగా పని చేయగలవు, ఎందుకంటే అవి ప్రతిచర్య వేగం లేదా ఏర్పడే ఉపఉత్పత్తుల ద్వారా పరిమితం కావు" అని మెటీరియల్స్ సైన్స్ & ఇంజనీరింగ్ విభాగంలో UW డాక్టరల్ విద్యార్థి సహ-ప్రధాన రచయిత మాథ్యూ లిమ్ అన్నారు. "సూపర్ కెపాసిటర్లు చాలా త్వరగా ఛార్జ్ చేయగలవు మరియు విడుదల చేయగలవు, అందుకే ఈ 'పప్పుల' శక్తిని అందించడంలో అవి గొప్పవి."

UW డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ కెమికల్ ఇంజినీరింగ్‌లో డాక్టరల్ విద్యార్థి అయిన తోటి ప్రధాన రచయిత మాథ్యూ క్రేన్ మాట్లాడుతూ, "బ్యాటరీ చాలా నెమ్మదిగా ఉండే సెట్టింగ్‌లలో వారికి గొప్ప అప్లికేషన్లు ఉన్నాయి. "శక్తి డిమాండ్లను తీర్చడానికి బ్యాటరీ చాలా నెమ్మదిగా ఉన్న క్షణాలలో, అధిక ఉపరితల వైశాల్యం గల ఎలక్ట్రోడ్‌తో కూడిన సూపర్ కెపాసిటర్ త్వరగా 'కిక్' చేయగలదు మరియు శక్తి లోటును భర్తీ చేస్తుంది."

సమర్థవంతమైన ఎలక్ట్రోడ్ కోసం అధిక ఉపరితల వైశాల్యాన్ని పొందడానికి, బృందం ఏరోజెల్‌లను ఉపయోగించింది. ఇవి తడి, జెల్-వంటి పదార్థాలు, వాటి ద్రవ భాగాలను గాలి లేదా మరొక వాయువుతో భర్తీ చేయడానికి ఎండబెట్టడం మరియు వేడి చేయడం యొక్క ప్రత్యేక చికిత్స ద్వారా వెళ్ళాయి. ఈ పద్ధతులు జెల్ యొక్క 3-D నిర్మాణాన్ని సంరక్షిస్తాయి, ఇది అధిక ఉపరితల వైశాల్యాన్ని మరియు చాలా తక్కువ సాంద్రతను ఇస్తుంది. ఇది జెల్-ఓ నుండి నీటిని పూర్తిగా తొలగించడం లాంటిది.

"ఒక గ్రాము ఎయిర్‌జెల్ ఒక ఫుట్‌బాల్ మైదానానికి సమానమైన ఉపరితల వైశాల్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది" అని పౌజాస్కీ చెప్పారు.

క్రేన్ జెల్-వంటి పాలిమర్ నుండి ఏరోజెల్‌లను తయారు చేసింది, ఇది ఫార్మాల్డిహైడ్ మరియు ఇతర కార్బన్-ఆధారిత అణువుల నుండి సృష్టించబడిన పునరావృత నిర్మాణ యూనిట్లతో కూడిన పదార్థం. ఇది వారి పరికరం, నేటి సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల వలె, కార్బన్-రిచ్ పదార్థాలను కలిగి ఉండేలా చేసింది.

ఇంతకుముందు, లిమ్ గ్రాఫేన్‌ను జోడించడం ద్వారా కేవలం ఒక అణువు మందపాటి కార్బన్ షీట్‌ను జెల్‌కు జోడించడం వల్ల సూపర్ కెపాసిటర్ లక్షణాలతో ఏర్పడిన ఎయిర్‌జెల్‌ను నింపారు. కానీ, ఏరోజెల్ పనితీరును మెరుగుపరచడానికి మరియు సంశ్లేషణ ప్రక్రియను చౌకగా మరియు సులభతరం చేయడానికి లిమ్ మరియు క్రేన్ అవసరం.

లిమ్ యొక్క మునుపటి ప్రయోగాలలో, గ్రాఫేన్ జోడించడం వల్ల ఏరోజెల్ కెపాసిటెన్స్ మెరుగుపడలేదు. కాబట్టి వారు బదులుగా మాలిబ్డినం డైసల్ఫైడ్ లేదా టంగ్స్టన్ డైసల్ఫైడ్ యొక్క సన్నని షీట్లతో ఏరోజెల్‌లను లోడ్ చేశారు. రెండు రసాయనాలు నేడు పారిశ్రామిక కందెనలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

పరిశోధకులు రెండు పదార్థాలను హై-ఫ్రీక్వెన్సీ సౌండ్ వేవ్‌లతో సన్నని షీట్‌లుగా విడగొట్టడానికి చికిత్స చేసారు మరియు వాటిని కార్బన్-రిచ్ జెల్ మ్యాట్రిక్స్‌లో చేర్చారు. వారు పూర్తిగా లోడ్ చేయబడిన తడి జెల్‌ను రెండు గంటలలోపు సంశ్లేషణ చేయగలరు, ఇతర పద్ధతులకు చాలా రోజులు పట్టవచ్చు.

ఎండిన, తక్కువ-సాంద్రత కలిగిన ఏరోజెల్‌ను పొందిన తర్వాత, వారు దానిని అంటుకునే పదార్థాలు మరియు మరొక కార్బన్-రిచ్ మెటీరియల్‌తో కలిపి పారిశ్రామిక "డౌ"ని సృష్టించారు, దీనిని లిమ్ కేవలం కొన్ని వేల వంతుల అంగుళం మందపాటి షీట్‌లకు చుట్టవచ్చు. వారు పిండి నుండి అర-అంగుళాల డిస్క్‌లను కట్ చేసి, సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌గా మెటీరియల్ ప్రభావాన్ని పరీక్షించడానికి వాటిని సాధారణ కాయిన్ సెల్ బ్యాటరీ కేసింగ్‌లుగా సమీకరించారు.

వాటి ఎలక్ట్రోడ్‌లు వేగవంతమైనవి, సరళమైనవి మరియు సులభంగా సంశ్లేషణ చేయడం మాత్రమే కాకుండా, అవి కార్బన్-రిచ్ ఎయిర్‌జెల్ కంటే కనీసం 127 శాతం ఎక్కువ కెపాసిటెన్స్‌ను కలిగి ఉన్నాయి.

లిమ్ మరియు క్రేన్ మాలిబ్డినం డైసల్ఫైడ్ లేదా టంగ్‌స్టన్ డైసల్ఫైడ్ యొక్క సన్నగా ఉండే షీట్‌లతో లోడ్ చేయబడిన ఏరోజెల్‌లు-అవి 10 నుండి 100 అణువుల మందంతో ఉంటాయి-మరింత మెరుగైన పనితీరును చూపుతాయని ఆశించారు. కానీ ముందుగా, లోడ్ చేయబడిన ఏరోజెల్స్‌ను సంశ్లేషణ చేయడానికి వేగంగా మరియు చౌకగా ఉంటుందని వారు చూపించాలనుకున్నారు, ఇది పారిశ్రామిక ఉత్పత్తికి అవసరమైన దశ. ఫైన్-ట్యూనింగ్ తదుపరి వస్తుంది.

ఈ ప్రయత్నాలు సూపర్ కెపాసిటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల పరిధికి వెలుపల సైన్స్‌ను అభివృద్ధి చేయడంలో సహాయపడతాయని బృందం విశ్వసిస్తుంది. వాటి ఏరోజెల్-సస్పెండ్ చేయబడిన మాలిబ్డినం డైసల్ఫైడ్ హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తిని ఉత్ప్రేరకపరచడానికి తగినంత స్థిరంగా ఉండవచ్చు. మరియు ఏరోజెల్స్‌లో పదార్థాలను త్వరగా ట్రాప్ చేయడానికి వారి పద్ధతి అధిక కెపాసిటెన్స్ బ్యాటరీలు లేదా ఉత్ప్రేరకానికి వర్తించబడుతుంది.