Süper kapasitörler, enerjiyi geleneksel pillerden daha hızlı depolayabilen ve iletebilen, uygun şekilde adlandırılmış bir cihaz türüdür. Elektrikli arabalar, kablosuz telekomünikasyon ve yüksek güçlü lazerler gibi uygulamalar için yüksek talep görüyorlar.

Ancak bu uygulamaları gerçekleştirmek için süper kapasitörlerin, süper kapasitörü enerjilerine bağlı cihazlara bağlayan daha iyi elektrotlara ihtiyacı vardır. Bu elektrotların büyük ölçekte yapılması hem daha hızlı hem de daha ucuz olmalı ve aynı zamanda elektrik yüklerini daha hızlı şarj edip boşaltabilmeli. Washington Üniversitesi'ndeki bir mühendis ekibi, bu sıkı endüstriyel ve kullanım taleplerini karşılayacak süper kapasitör elektrot malzemeleri üretmeye yönelik bir süreç bulduklarını düşünüyor.

UW'de malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti Peter Pauzauskie liderliğindeki araştırmacılar, 17 Temmuz'da Nature Microsystems ve Nanoengineering dergisinde süper kapasitör elektrotlarını ve bunu yapmanın hızlı, ucuz yolunu anlatan bir makale yayınladılar. Yeni yöntemleri, aerojel adı verilen düşük yoğunluklu bir matris halinde kurutulan karbon açısından zengin malzemelerle başlıyor. Bu aerojel kendi başına kaba bir elektrot görevi görebilir, ancak Pauzauskie'nin ekibi onun elektrik yükünü depolama yeteneği olan kapasitansını iki katından fazla artırdı.

Bu ucuz başlangıç ​​malzemeleri, modern bir sentez süreciyle birleştiğinde endüstriyel uygulamanın önündeki iki yaygın engeli en aza indirir: maliyet ve hız.

Pauzauskie, "Endüstriyel uygulamalarda vakit nakittir" dedi. "Bu elektrotlar için başlangıç ​​malzemelerini haftalar yerine saatler içinde yapabiliriz. Bu da yüksek performanslı süper kapasitör elektrotları yapımına yönelik sentez maliyetini önemli ölçüde azaltabilir."

Etkili süper kapasitör elektrotları, aynı zamanda yüksek yüzey alanına sahip, karbon açısından zengin malzemelerden sentezlenir. İkinci gereklilik, süper kapasitörlerin elektrik yükünü depolamasının benzersiz yolu nedeniyle kritik öneme sahiptir. Geleneksel bir pil, içinde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar yoluyla elektrik yüklerini depolarken, bir süper kapasitör bunun yerine pozitif ve negatif yükleri doğrudan yüzeyinde depolar ve ayırır.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nde UW doktora öğrencisi olan eş-baş yazar Matthew Lim, "Süper kapasitörler pillerden çok daha hızlı hareket edebilirler çünkü reaksiyonun hızı veya oluşabilecek yan ürünlerle sınırlı değildirler" dedi. "Süper kapasitörler çok hızlı şarj ve deşarj olabiliyor, bu yüzden bu güç 'darbelerini' iletmede harikalar."

UW Kimya Mühendisliği Bölümü'nde doktora öğrencisi olan baş yazar Matthew Crane, "Bir pilin tek başına çok yavaş olduğu ortamlarda harika uygulamaları var" dedi. "Pilin enerji taleplerini karşılayamayacak kadar yavaş olduğu anlarda, yüksek yüzey alanlı elektrota sahip bir süper kapasitör hızla devreye girebilir ve enerji açığını telafi edebilir."

Verimli bir elektrot için yüksek yüzey alanı elde etmek amacıyla ekip aerojel kullandı. Bunlar, sıvı bileşenlerini hava veya başka bir gazla değiştirmek için özel bir kurutma ve ısıtma işleminden geçmiş ıslak, jel benzeri maddelerdir. Bu yöntemler jelin 3 boyutlu yapısını koruyarak ona yüksek bir yüzey alanı ve son derece düşük yoğunluk kazandırır. Jell-O'daki tüm suyu çekmeden çıkarmak gibi bir şey.

Pauzauskie, "Bir gram aerojel, yaklaşık bir futbol sahası kadar yüzey alanı içeriyor" dedi.

Crane, formaldehit ve diğer karbon bazlı moleküllerden oluşturulan, tekrarlanan yapısal birimlere sahip bir malzeme olan jel benzeri bir polimerden aerojeller yaptı. Bu, günümüzün süper kapasitör elektrotları gibi cihazlarının da karbon açısından zengin malzemelerden oluşmasını sağladı.

Daha önce Lim, jele (yalnızca bir atom kalınlığında bir karbon tabakası olan) grafen eklemenin, ortaya çıkan aerojele süper kapasitör özellikleri kazandırdığını göstermişti. Ancak Lim ve Crane'in aerojelin performansını iyileştirmesi ve sentez sürecini daha ucuz ve kolay hale getirmesi gerekiyordu.

Lim'in önceki deneylerinde grafen eklemek aerojelin kapasitansını iyileştirmemişti. Bunun yerine aerojelleri ince molibden disülfür veya tungsten disülfür tabakalarıyla yüklediler. Her iki kimyasal da günümüzde endüstriyel yağlayıcılarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Araştırmacılar her iki malzemeyi de yüksek frekanslı ses dalgalarıyla işlemden geçirerek ince tabakalara ayırdılar ve karbon açısından zengin jel matrisine dahil ettiler. Tam yüklü bir ıslak jeli iki saatten daha kısa bir sürede sentezleyebiliyorlardı, diğer yöntemler ise günlerce sürüyordu.

Kurutulmuş, düşük yoğunluklu aerojeli elde ettikten sonra, bunu yapıştırıcılar ve karbon açısından zengin başka bir malzemeyle birleştirip, Lim'in bir inçin sadece birkaç binde biri kalınlığındaki tabakalar halinde kolayca açabileceği endüstriyel bir "hamur" oluşturdular. Malzemenin bir süper kapasitör elektrotu olarak etkinliğini test etmek için hamurdan yarım inçlik diskler kestiler ve bunları basit madeni para büyüklüğündeki pil muhafazalarına yerleştirdiler.

Elektrotları hızlı, basit ve sentezlenmesi kolay olmakla kalmayıp, aynı zamanda karbon açısından zengin aerojelden en az yüzde 127 daha yüksek bir kapasitansa da sahipti.

Lim ve Crane, daha ince molibden disülfür veya tungsten disülfür tabakalarıyla yüklenen aerojellerin (onlarınki yaklaşık 10 ila 100 atom kalınlığındaydı) daha da iyi bir performans göstereceğini umuyor. Ancak öncelikle, endüstriyel üretim için gerekli bir adım olan yüklü aerojellerin sentezlenmesinin daha hızlı ve daha ucuz olacağını göstermek istediler. Daha sonra ince ayar gelir.

Ekip, bu çabaların süper kapasitör elektrotları alanının dışında bile bilimin ilerlemesine yardımcı olabileceğine inanıyor. Aerojelde asılı molibden disülfitleri, hidrojen üretimini katalize etmek için yeterince stabil kalabilir. Malzemeleri hızlı bir şekilde aerojellerde yakalama yöntemleri, yüksek kapasitanslı pillere veya katalize uygulanabilir.