Ang mga supercapacitor ay isang angkop na pinangalanang uri ng device na maaaring mag-imbak at maghatid ng enerhiya nang mas mabilis kaysa sa mga karaniwang baterya. Mataas ang demand ng mga ito para sa mga application kabilang ang mga de-kuryenteng sasakyan, wireless telecommunications at mga high-powered laser.

Ngunit upang mapagtanto ang mga application na ito, ang mga supercapacitor ay nangangailangan ng mas mahusay na mga electrodes, na kumokonekta sa supercapacitor sa mga aparato na nakasalalay sa kanilang enerhiya. Ang mga electrodes na ito ay kailangang parehong mas mabilis at mas mura upang makagawa sa isang malaking sukat at maaari ring mag-charge at mag-discharge ng kanilang electrical load nang mas mabilis. Ang isang pangkat ng mga inhinyero sa Unibersidad ng Washington ay nag-iisip na nakagawa sila ng isang proseso para sa paggawa ng mga supercapacitor electrode na materyales na makakatugon sa mga mahigpit na pangangailangang pang-industriya at paggamit.

Ang mga mananaliksik, pinangunahan ng UW assistant professor of materials science and engineering Peter Pauzauskie, ay naglathala ng isang papel noong Hulyo 17 sa journal Nature Microsystems at Nanoengineering na naglalarawan sa kanilang supercapacitor electrode at ang mabilis, murang paraan na ginawa nila. Ang kanilang pamamaraan ng nobela ay nagsisimula sa mga materyal na mayaman sa carbon na natuyo sa isang mababang density na matrix na tinatawag na aerogel. Ang airgel na ito sa kanyang sarili ay maaaring kumilos bilang isang krudo na elektrod, ngunit ang koponan ni Pauzauskie ay higit sa nadoble ang kapasidad nito, na kung saan ay ang kakayahang mag-imbak ng electric charge.

Ang mga murang panimulang materyales na ito, kasama ng isang naka-streamline na proseso ng synthesis, ay nagpapaliit sa dalawang karaniwang hadlang sa pang-industriyang aplikasyon: gastos at bilis.

"Sa mga pang-industriyang aplikasyon, ang oras ay pera," sabi ni Pauzauskie. "Maaari naming gawin ang mga panimulang materyales para sa mga electrodes na ito sa mga oras, sa halip na mga linggo. At iyon ay maaaring makabuluhang mapababa ang halaga ng synthesis para sa paggawa ng mga high-performance na supercapacitor electrodes.

Ang mga epektibong supercapacitor electrodes ay synthesize mula sa carbon-rich na materyales na mayroon ding mataas na surface area. Ang huling kinakailangan ay kritikal dahil sa kakaibang paraan ng pag-iimbak ng mga supercapacitor ng electric charge. Habang ang isang ordinaryong baterya ay nag-iimbak ng mga singil sa kuryente sa pamamagitan ng mga kemikal na reaksyon na nagaganap sa loob nito, ang isang supercapacitor sa halip ay nag-iimbak at naghihiwalay ng mga positibo at negatibong singil nang direkta sa ibabaw nito.

"Ang mga supercapacitor ay maaaring kumilos nang mas mabilis kaysa sa mga baterya dahil hindi sila nalilimitahan ng bilis ng reaksyon o mga byproduct na maaaring mabuo," sabi ng co-lead author na si Matthew Lim, isang UW na mag-aaral ng doktor sa Department of Materials Science & Engineering. "Ang mga supercapacitor ay maaaring mag-charge at mag-discharge nang napakabilis, kaya naman mahusay sila sa paghahatid ng mga 'pulso' na ito ng kapangyarihan."

"Mayroon silang mahusay na mga application sa mga setting kung saan ang isang baterya sa sarili nitong ay masyadong mabagal," sabi ng kapwa lead author na si Matthew Crane, isang mag-aaral ng doktor sa UW Department of Chemical Engineering. "Sa mga sandali kung saan ang baterya ay masyadong mabagal upang matugunan ang mga pangangailangan ng enerhiya, ang isang supercapacitor na may mataas na surface area electrode ay maaaring 'sipa' nang mabilis at makabawi sa kakulangan ng enerhiya."

Upang makuha ang mataas na lugar sa ibabaw para sa isang mahusay na elektrod, ang koponan ay gumamit ng mga aerogels. Ang mga ito ay basa, mala-gel na mga sangkap na dumaan sa espesyal na paggamot sa pagpapatuyo at pag-init upang palitan ang kanilang mga likidong bahagi ng hangin o ibang gas. Pinapanatili ng mga pamamaraang ito ang 3-D na istraktura ng gel, na nagbibigay dito ng mataas na lugar sa ibabaw at napakababang density. Ito ay tulad ng pag-alis ng lahat ng tubig sa Jell-O na walang pag-urong.

"Ang isang gramo ng airgel ay naglalaman ng halos kasing dami ng ibabaw ng isang football field," sabi ni Pauzauskie.

Ang crane ay gumawa ng mga aerogels mula sa isang gel-like polymer, isang materyal na may paulit-ulit na structural units, na nilikha mula sa formaldehyde at iba pang carbon-based na molekula. Tiniyak nito na ang kanilang aparato, tulad ng mga supercapacitor electrodes ngayon, ay binubuo ng mga materyal na mayaman sa carbon.

Noong nakaraan, ipinakita ni Lim na ang pagdaragdag ng graphene—na isang sheet ng carbon na isang atom lamang ang kapal—sa gel ay nag-imbak sa nagresultang airgel na may mga katangian ng supercapacitor. Ngunit, kailangan ni Lim at Crane na pagbutihin ang pagganap ng aerogel, at gawing mas mura at mas madali ang proseso ng synthesis.

Sa mga nakaraang eksperimento ni Lim, ang pagdaragdag ng graphene ay hindi nagpabuti sa kapasidad ng aerogel. Kaya sa halip ay nag-load sila ng mga aerogels ng manipis na mga sheet ng alinman sa molybdenum disulfide o tungsten disulfide. Ang parehong mga kemikal ay malawakang ginagamit ngayon sa mga pang-industriyang pampadulas.

Ginagamot ng mga mananaliksik ang parehong mga materyales na may mga high-frequency na sound wave upang masira ang mga ito sa manipis na mga sheet at isama ang mga ito sa matrix na mayaman sa carbon na gel. Maaari silang mag-synthesize ng isang fully-loaded na wet gel sa loob ng mas mababa sa dalawang oras, habang ang ibang mga pamamaraan ay tatagal ng maraming araw.

Matapos makuha ang tuyo, mababang density na aerogel, pinagsama nila ito sa mga pandikit at isa pang materyal na mayaman sa carbon upang lumikha ng isang pang-industriya na "dough," na maaaring igulong lang ni Lim sa mga sheet na ilang libong bahagi lamang ng isang pulgada ang kapal. Pinutol nila ang kalahating pulgadang mga disc mula sa kuwarta at pinagsama ang mga ito sa mga simpleng coin cell na mga casing ng baterya upang subukan ang pagiging epektibo ng materyal bilang isang supercapacitor electrode.

Hindi lamang mabilis, simple at madaling i-synthesize ang kanilang mga electrodes, ngunit mayroon din silang kapasidad na hindi bababa sa 127 porsiyentong mas malaki kaysa sa carbon-rich airgel na nag-iisa.

Inaasahan nina Lim at Crane na ang mga aerogels na puno ng mas manipis na mga sheet ng molybdenum disulfide o tungsten disulfide—mga 10 hanggang 100 atoms ang kapal nito—ay magpapakita ng mas mahusay na pagganap. Ngunit una, nais nilang ipakita na ang mga na-load na aerogels ay magiging mas mabilis at mas mura upang synthesize, isang kinakailangang hakbang para sa pang-industriyang produksyon. Susunod ang fine-tuning.

Naniniwala ang koponan na ang mga pagsisikap na ito ay makakatulong sa pagsulong ng agham kahit na sa labas ng larangan ng supercapacitor electrodes. Ang kanilang aerogel-suspended molybdenum disulfide ay maaaring manatiling sapat na matatag upang ma-catalyze ang produksyon ng hydrogen. At ang kanilang paraan upang ma-trap ang mga materyales nang mabilis sa mga aerogels ay maaaring ilapat sa mataas na kapasidad na mga baterya o catalysis.