ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นอุปกรณ์ประเภทที่มีชื่อเหมาะเจาะซึ่งสามารถจัดเก็บและส่งพลังงานได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป พวกเขามีความต้องการสูงสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้า โทรคมนาคมไร้สาย และเลเซอร์กำลังสูง

แต่เพื่อให้ตระหนักถึงการใช้งานเหล่านี้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จำเป็นต้องมีอิเล็กโทรดที่ดีกว่า ซึ่งเชื่อมต่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กับอุปกรณ์ที่ต้องพึ่งพาพลังงาน อิเล็กโทรดเหล่านี้ต้องมีทั้งเร็วกว่าและราคาถูกกว่าจึงจะผลิตได้ในปริมาณมาก และยังสามารถชาร์จและคายประจุไฟฟ้าได้เร็วขึ้นอีกด้วย ทีมวิศวกรที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันคิดว่าพวกเขาได้คิดค้นกระบวนการผลิตวัสดุอิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่จะตอบสนองความต้องการทางอุตสาหกรรมและการใช้งานที่เข้มงวดเหล่านี้

นักวิจัยนำโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ Peter Pauzauskie ของ UW ได้ตีพิมพ์บทความเมื่อวันที่ 17 กรกฎาคมในวารสาร Nature Microsystems และ Nanoengineering ซึ่งอธิบายถึงขั้วไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และวิธีการที่รวดเร็วและไม่แพงที่พวกเขาสร้างขึ้น วิธีการใหม่ของพวกเขาเริ่มต้นด้วยวัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอนซึ่งถูกทำให้แห้งเป็นเมทริกซ์ความหนาแน่นต่ำที่เรียกว่าแอโรเจล แอโรเจลนี้สามารถทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดดิบได้ แต่ทีมงานของ Pauzauskie เพิ่มความจุมากกว่าสองเท่า ซึ่งก็คือความสามารถในการเก็บประจุไฟฟ้า

วัสดุตั้งต้นที่มีราคาไม่แพงเหล่านี้ ควบคู่ไปกับกระบวนการสังเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพ ช่วยลดอุปสรรคทั่วไปสองประการในการใช้งานทางอุตสาหกรรม: ต้นทุนและความเร็ว

“ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม เวลาคือเงิน” Pauzauskie กล่าว “เราสามารถสร้างวัสดุตั้งต้นสำหรับอิเล็กโทรดเหล่านี้ได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง แทนที่จะเป็นสัปดาห์ และนั่นสามารถลดต้นทุนการสังเคราะห์สำหรับการผลิตอิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประสิทธิภาพสูงได้อย่างมาก”

อิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีประสิทธิภาพถูกสังเคราะห์จากวัสดุที่มีคาร์บอนสูงซึ่งมีพื้นที่ผิวสูงเช่นกัน ข้อกำหนดหลังมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากวิธีการเก็บประจุไฟฟ้าแบบพิเศษของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แม้ว่าแบตเตอรี่ทั่วไปจะเก็บประจุไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะจัดเก็บและแยกประจุบวกและลบบนพื้นผิวโดยตรงแทน

“ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถทำงานได้เร็วกว่าแบตเตอรี่มาก เนื่องจากไม่ได้ถูกจำกัดด้วยความเร็วของปฏิกิริยาหรือผลพลอยได้ที่สามารถก่อตัวได้” Matthew Lim ผู้เขียนร่วม นักศึกษาปริญญาเอกของ UW ในภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์กล่าว “ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถชาร์จและคายประจุได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกมันจึงสามารถส่ง 'พัลส์' ของพลังงานเหล่านี้ได้ดี”

“พวกมันมีการใช้งานที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่แบตเตอรี่ในตัวมันเองช้าเกินไป” Matthew Crane ผู้เขียนนำ นักศึกษาปริญญาเอกในภาควิชาวิศวกรรมเคมีของ UW กล่าว “ในช่วงเวลาที่แบตเตอรี่ช้าเกินไปที่จะตอบสนองความต้องการพลังงาน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีอิเล็กโทรดพื้นที่ผิวสูงสามารถ 'เตะ' เข้าไปอย่างรวดเร็วและชดเชยการขาดพลังงาน”

เพื่อให้ได้พื้นที่ผิวสูงสำหรับอิเล็กโทรดที่มีประสิทธิภาพ ทีมงานจึงใช้แอโรเจล สิ่งเหล่านี้คือสารที่มีลักษณะคล้ายเจลเปียกซึ่งผ่านการบำบัดพิเศษด้วยการทำให้แห้งและให้ความร้อนเพื่อแทนที่ส่วนประกอบที่เป็นของเหลวด้วยอากาศหรือก๊าซอื่น วิธีการเหล่านี้รักษาโครงสร้าง 3 มิติของเจล ทำให้มีพื้นที่ผิวสูงและมีความหนาแน่นต่ำมาก เหมือนกับการนำน้ำออกจาก Jell-O ทั้งหมดโดยไม่หดตัว

“แอโรเจลหนึ่งกรัมมีพื้นที่ผิวเท่ากับสนามฟุตบอลหนึ่งสนาม” เปาซอสกีกล่าว

เครนสร้างแอโรเจลจากโพลีเมอร์คล้ายเจล ซึ่งเป็นวัสดุที่มีหน่วยโครงสร้างซ้ำกัน ซึ่งสร้างขึ้นจากฟอร์มาลดีไฮด์และโมเลกุลที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์ของพวกเขา เช่น อิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในปัจจุบัน จะประกอบด้วยวัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอน

ก่อนหน้านี้ Lim แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มกราฟีนซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวลงในเจลจะทำให้แอโรเจลที่ได้มีคุณสมบัติเป็นซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แต่ Lim และ Crane จำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพของแอโรเจล และทำให้กระบวนการสังเคราะห์ถูกลงและง่ายขึ้น

ในการทดลองครั้งก่อนของ Lim การเติมกราฟีนไม่ได้ทำให้ความจุของแอโรเจลดีขึ้น ดังนั้นพวกเขาจึงใส่แอโรเจลแทนด้วยแผ่นบางๆ ของโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์หรือทังสเตนไดซัลไฟด์ สารเคมีทั้งสองชนิดนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันในน้ำมันหล่อลื่นอุตสาหกรรม

นักวิจัยได้ปฏิบัติต่อวัสดุทั้งสองด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเพื่อแยกพวกมันออกเป็นแผ่นบาง ๆ และรวมเข้ากับเมทริกซ์เจลที่อุดมด้วยคาร์บอน พวกเขาสามารถสังเคราะห์เจลเปียกที่บรรจุเต็มได้ภายในเวลาไม่ถึงสองชั่วโมง ในขณะที่วิธีอื่นอาจใช้เวลาหลายวัน

หลังจากได้รับแอโรเจลความหนาแน่นต่ำแห้งแล้ว พวกเขาก็รวมมันเข้ากับกาวและวัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอนอีกชนิดหนึ่งเพื่อสร้าง "แป้ง" ทางอุตสาหกรรม ซึ่ง Lim สามารถแผ่ออกเป็นแผ่นที่มีความหนาเพียงไม่กี่ในพันนิ้วได้ พวกเขาตัดแผ่นดิสก์ขนาดครึ่งนิ้วจากแป้งและประกอบเข้ากับกล่องแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของวัสดุในฐานะอิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

อิเล็กโทรดไม่เพียงแต่รวดเร็ว ง่ายดาย และสังเคราะห์ได้ง่ายเท่านั้น แต่ยังมีค่าความจุมากกว่าแอโรเจลที่อุดมด้วยคาร์บอนเพียงอย่างเดียวอย่างน้อย 127 เปอร์เซ็นต์

Lim และ Crane คาดหวังว่าแอโรเจลที่บรรจุแผ่นโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์หรือทังสเตนไดซัลไฟด์ที่บางกว่าซึ่งมีความหนาประมาณ 10 ถึง 100 อะตอม จะแสดงประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นไปอีก แต่ก่อนอื่น พวกเขาต้องการแสดงให้เห็นว่าแอโรเจลที่บรรจุไว้จะสังเคราะห์ได้เร็วกว่าและราคาถูกกว่า ซึ่งเป็นขั้นตอนที่จำเป็นสำหรับการผลิตภาคอุตสาหกรรม การปรับแต่งแบบละเอียดจะเกิดขึ้นต่อไป

ทีมงานเชื่อว่าความพยายามเหล่านี้สามารถช่วยพัฒนาวิทยาศาสตร์ได้แม้จะอยู่นอกขอบเขตของขั้วไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็ตาม โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ที่แขวนลอยด้วยแอโรเจลอาจยังคงเสถียรเพียงพอที่จะกระตุ้นการผลิตไฮโดรเจน และวิธีการดักจับวัสดุอย่างรวดเร็วในแอโรเจลสามารถนำไปใช้กับแบตเตอรี่ความจุสูงหรือการเร่งปฏิกิริยาได้