Суперконденсаторҳо як навъи дастгоҳе мебошанд, ки метавонанд нисбат ба батареяҳои муқаррарӣ энергия зудтар захира ва интиқол диҳанд. Онҳо ба барномаҳо, аз ҷумла мошинҳои барқӣ, телекоммуникатсионӣ бесим ва лазерҳои пуриқтидор талабот зиёданд.

Аммо барои амалӣ кардани ин барномаҳо, суперконденсаторҳо ба электродҳои беҳтар ниёз доранд, ки суперконденсаторро ба дастгоҳҳое пайваст мекунанд, ки аз энергияи онҳо вобастаанд. Ин электродҳо бояд ҳам зудтар ва ҳам арзонтар бошанд, то дар миқёси васеъ сохта шаванд ва инчунин тавонанд бори барқи худро зудтар пур кунанд ва холӣ кунанд. Гурӯҳи муҳандисон дар Донишгоҳи Вашингтон фикр мекунанд, ки онҳо бо як раванди истеҳсоли маводи электроди суперконденсаторӣ, ки ба ин талаботҳои сахти саноатӣ ва истифода қонеъ мешаванд, таҳия кардаанд.

Муҳаққиқон таҳти сарварии ассистенти профессори UW оид ба маводшиносӣ ва муҳандисӣ Питер Паузауски рӯзи 17 июл дар маҷаллаи Nature Microsystems ва Nanoengineering мақолае нашр карданд, ки электроди суперконденсатории худро ва роҳи зуд ва арзон сохтани онро тавсиф мекунанд. Усули нави онҳо аз маводи бойи карбон оғоз мешавад, ки дар матритсаи зичии пасти аэрогел хушк карда шудаанд. Ин аэрогел худаш метавонад ҳамчун электроди хом амал кунад, аммо дастаи Паузауски иқтидори онро, яъне қобилияти нигоҳ доштани заряди барқро бештар аз ду баробар зиёд кард.

Ин маводи ибтидоии арзон, дар якҷоягӣ бо раванди соддакардашудаи синтез, ду монеаи умумиро барои татбиқи саноатӣ кам мекунанд: арзиш ва суръат.

"Дар барномаҳои саноатӣ вақт пул аст" гуфт Паузаские. «Мо метавонем маводи ибтидоиро барои ин электродҳо дар тӯли соатҳо созем, на ҳафтаҳо. Ва ин метавонад арзиши синтезро барои истеҳсоли электродҳои суперконденсаторӣ ба таври назаррас коҳиш диҳад."

Электродҳои пурсамари суперконденсаторҳо аз маводи аз карбон бой синтез карда мешаванд, ки сатҳи баланди онҳо низ доранд. Талаботи охирин аз сабаби он ки роҳи беназири суперконденсаторҳо заряди барқро нигоҳ медорад, муҳим аст. Дар ҳоле ки батареяи муқаррарӣ зарядҳои барқро тавассути реаксияҳои кимиёвии дар дохили он рухдода нигоҳ медорад, суперконденсатор ба ҷои он зарядҳои мусбат ва манфиро мустақиман дар рӯи он нигоҳ медорад ва ҷудо мекунад.

"Суперконденсаторҳо метавонанд нисбат ба батареяҳо хеле зудтар амал кунанд, зеро онҳо бо суръати реаксия ё маҳсулоти иловагие, ки метавонанд ба вуҷуд омада метавонанд, маҳдуд нестанд" гуфт ҳаммуаллиф Мэттью Лим, донишҷӯи докторанти UW дар шӯъбаи илм ва муҳандисӣ. "Суперконденсаторҳо метавонанд хеле зуд барқ ​​​​пур кунанд ва холӣ кунанд, аз ин рӯ онҳо дар интиқол додани ин импулсҳои қувваи барқ ​​аъло ҳастанд."

"Онҳо барномаҳои олӣ доранд, дар шароите, ки батарея худаш хеле суст аст" гуфт ҳамкори муаллифи пешбар Мэттью Крейн, донишҷӯи докторанти кафедраи муҳандисии кимиёи UW. "Дар лаҳзаҳое, ки батарея барои қонеъ кардани ниёзҳои энергетикӣ хеле суст аст, суперконденсатор бо электроди сатҳи баланд метавонад зуд ба кор даромада, касри энергияро ҷуброн кунад."

Барои ба даст овардани майдони баланди сатҳи электроди самаранок, даста аэрогелҳоро истифода бурд. Инҳо моддаҳои тар, ба гел монанданд, ки аз коркарди махсуси хушккунӣ ва гармкунӣ гузаштаанд, то ҷузъҳои моеъи худро бо ҳаво ё гази дигар иваз кунанд. Ин усулҳо сохтори 3-D-и гелро нигоҳ дошта, ба он сатҳи баланд ва зичии хеле паст медиҳанд. Ин ба он монанд аст, ки ҳама обро аз Jell-O бидуни камшавӣ тоза кунед.

"Як грамм аэрогел тақрибан як майдони футболро дар бар мегирад" гуфт Паузауски.

Кран аэрогелҳоро аз полимери ба гел монанд сохт, маводе, ки воҳидҳои сохтории такрорӣ аз формальдегид ва дигар молекулаҳои карбон сохта шудаанд. Ин кафолат дод, ки дастгоҳи онҳо, мисли электродҳои суперконденсатори имрӯза, аз маводҳои аз карбон бой иборат аст.

Пештар, Лим нишон дод, ки илова кардани графен, ки як варақи карбон аст, ки ҳамагӣ як атом ғафс аст - ба гел ба аэрогели ҳосилшуда хосиятҳои суперконденсаторӣ додааст. Аммо, Лим ва Крейн лозим буд, ки самаранокии аэрогелро беҳтар кунанд ва раванди синтезро арзонтар ва осонтар кунанд.

Дар таҷрибаҳои қаблии Лим, илова кардани графен зарфияти аэрогелро беҳтар накардааст. Ҳамин тавр, онҳо ба ҷои он аэрогелҳоро бо варақаҳои тунуки дисульфиди молибден ё дисульфиди волфрам бор карданд. Ҳарду маводи кимиёвӣ имрӯз дар равғанҳои молиданӣ ба таври васеъ истифода мешаванд.

Муҳаққиқон ҳарду маводро бо мавҷҳои садои басомади баланд коркард карданд, то онҳоро ба варақҳои тунук тақсим кунанд ва ба матритсаи гели бойи карбон дохил карданд. Онҳо метавонистанд гели пурборшудаи тарро дар муддати камтар аз ду соат синтез кунанд, дар ҳоле ки усулҳои дигар рӯзҳои зиёдро талаб мекунанд.

Пас аз ба даст овардани аэрогели хушк ва зичии паст, онҳо онро бо илтиёмҳо ва дигар маводи аз карбон бой омехта карда, як "хамир"-и саноатӣ эҷод карданд, ки Лим метавонист онро ба варақаҳои ҳамагӣ чанд ҳазор ҳиссаи дюйм ғафсӣ гузорад. Онҳо дискҳои ним дюймиро аз хамир бурида, ба корпусҳои оддии батареяи танга ҷамъ карданд, то самаранокии маводро ҳамчун электроди суперконденсатор санҷанд.

На танҳо электродҳои онҳо зуд, содда ва синтез кардан осон буданд, балки онҳо инчунин иқтидори худро на камтар аз 127 фоиз аз як аэрогели аз карбон бой доранд.

Лим ва Крейн интизор доранд, ки аэрогелҳое, ки бо варақҳои боз ҳам тунуктар аз дисульфиди молибден ё дисульфиди вольфрам бор карда шудаанд, ки ғафсии онҳо тақрибан аз 10 то 100 атом буд, кори боз ҳам беҳтар нишон медиҳанд. Аммо аввал онҳо мехостанд нишон диҳанд, ки аэрогелҳои пурбор тезтар ва арзонтар синтез мешаванд, ки ин қадами зарурӣ барои истеҳсоли саноатӣ мебошад. Танзими дақиқ дар оянда меояд.

Гурӯҳ боварӣ дорад, ки ин кӯшишҳо метавонанд ба пешрафти илм ҳатто берун аз доираи электродҳои суперконденсаторӣ мусоидат кунанд. Дисульфиди молибдени бо аэрогел боздошташуда метавонад барои катализ кардани истеҳсоли гидроген ба қадри кофӣ устувор боқӣ монад. Ва усули онҳо барои зуд ба аэрогелҳо кашидани маводҳоро метавон ба батареяҳои иқтидори баланд ё катализ истифода бурд.