Суперконденсатори — це влучно названий тип пристроїв, які можуть накопичувати та передавати енергію швидше, ніж звичайні батареї. Вони користуються високим попитом для таких застосувань, як електромобілі, бездротові телекомунікації та потужні лазери.

Але для реалізації цих застосувань суперконденсатори потребують кращих електродів, які з’єднують суперконденсатор із пристроями, які залежать від їх енергії. Ці електроди мають бути швидшими та дешевшими для виготовлення у великих масштабах, а також здатними швидше заряджати та розряджати своє електричне навантаження. Команда інженерів з Університету Вашингтона вважає, що вони розробили процес виробництва матеріалів для електродів суперконденсаторів, який відповідатиме цим суворим вимогам промисловості та використання.

Дослідники на чолі з доцентом кафедри матеріалознавства та інженерії UW Пітером Паузаускі опублікували статтю 17 липня в журналі Nature Microsystems and Nanoengineering, в якій описують свій суперконденсаторний електрод і швидкий і недорогий спосіб його виготовлення. Їх новий метод починається з матеріалів, багатих вуглецем, які були висушені в матрицю низької щільності, звану аерогелем. Цей аерогель сам по собі може діяти як грубий електрод, але команда Паузаускі більш ніж подвоїла його ємність, тобто здатність зберігати електричний заряд.

Ці недорогі вихідні матеріали в поєднанні з оптимізованим процесом синтезу зводять до мінімуму два загальні перешкоди для промислового застосування: вартість і швидкість.

«У промисловому застосуванні час — гроші», — сказав Паузаускі. «Ми можемо виготовити вихідні матеріали для цих електродів за години, а не за тижні. І це може значно знизити вартість синтезу для виготовлення електродів високопродуктивного суперконденсатора».

Ефективні електроди суперконденсаторів синтезуються з багатих вуглецем матеріалів, які також мають високу площу поверхні. Остання вимога є критичною через унікальний спосіб, у який суперконденсатори зберігають електричний заряд. У той час як звичайна батарея зберігає електричні заряди через хімічні реакції, що відбуваються в ній, суперконденсатор натомість зберігає та розділяє позитивні та негативні заряди безпосередньо на своїй поверхні.

«Суперконденсатори можуть працювати набагато швидше, ніж батареї, тому що вони не обмежені швидкістю реакції або побічними продуктами, які можуть утворюватися», — сказав один із провідних авторів Метью Лім, докторант Університетського університету на факультеті матеріалознавства та інженерії. «Суперконденсатори можуть заряджатися та розряджатися дуже швидко, тому вони чудово забезпечують ці «імпульси» енергії».

«Вони чудово застосовуються в умовах, коли сама по собі батарея працює надто повільно», — сказав провідний автор Метью Крейн, докторант факультету хімічної інженерії Університету Вашингтона. «У моменти, коли батарея працює надто повільно, щоб задовольнити потреби в енергії, суперконденсатор із електродом з великою площею поверхні може швидко «спрацювати» й компенсувати дефіцит енергії».

Щоб отримати велику площу поверхні для ефективного електрода, команда використовувала аерогелі. Це вологі, гелеподібні речовини, які пройшли спеціальну обробку сушіння та нагрівання для заміни рідких компонентів повітрям або іншим газом. Ці методи зберігають тривимірну структуру гелю, надаючи йому високу площу поверхні та надзвичайно низьку щільність. Це як видалити всю воду з желе без усадки.

«Один грам аерогелю містить приблизно стільки ж поверхні, скільки одне футбольне поле», — сказав Паузаускі.

Крейн зробив аерогелі з гелеподібного полімеру, матеріалу з повторюваними структурними одиницями, створеного з формальдегіду та інших молекул на основі вуглецю. Це гарантувало, що їхній пристрій, як і сьогоднішні електроди суперконденсаторів, складатиметься з матеріалів, багатих вуглецем.

Раніше Лім продемонстрував, що додавання до гелю графену, який є листом вуглецю товщиною всього в один атом, наповнило отриманий аерогель властивостями суперконденсатора. Але Ліму та Крейну потрібно було покращити продуктивність аерогелю та зробити процес синтезу дешевшим і простішим.

У попередніх експериментах Ліма додавання графену не покращило ємність аерогелю. Тож замість цього вони завантажили аерогелі тонкими листами дисульфіду молібдену або дисульфіду вольфраму. Обидві хімічні речовини сьогодні широко використовуються в промислових мастильних матеріалах.

Дослідники обробили обидва матеріали високочастотними звуковими хвилями, щоб розбити їх на тонкі листи та включили їх у насичену вуглецем гелеву матрицю. Вони могли синтезувати повністю завантажений вологий гель менш ніж за дві години, тоді як інші методи зайняли б багато днів.

Отримавши висушений аерогель низької щільності, вони поєднали його з адгезивами та іншим матеріалом, багатим вуглецем, щоб створити промислове «тісто», яке Лім міг просто розкачати в листи товщиною лише кілька тисячних дюйма. Вони вирізали з тіста півдюймові диски та зібрали їх у прості корпуси батарейок, щоб перевірити ефективність матеріалу як електрода суперконденсатора.

Їхні електроди були не тільки швидкими, простими та легкими для синтезу, але вони також мали ємність щонайменше на 127 відсотків більшу, ніж лише багатий вуглецем аерогель.

Лім і Крейн очікують, що аерогелі, наповнені ще більш тонкими листами дисульфіду молібдену або дисульфіду вольфраму (їхня товщина була приблизно від 10 до 100 атомів), показали б навіть кращу продуктивність. Але спочатку вони хотіли показати, що навантажені аерогелі можна буде швидше і дешевше синтезувати, що є необхідним кроком для промислового виробництва. Далі йде тонке налаштування.

Команда вважає, що ці зусилля можуть допомогти просунути науку навіть за межами сфери електродів суперконденсаторів. Їх аерогелевий дисульфід молібдену може залишатися достатньо стабільним, щоб каталізувати виробництво водню. І їхній метод швидкого захоплення матеріалів в аерогелях можна застосувати до високоємних батарей або каталізу.