Superkondensatorlar an'anaviy batareyalarga qaraganda tezroq energiyani saqlashi va etkazib berishi mumkin bo'lgan mos keladigan qurilma turidir. Ular elektromobillar, simsiz telekommunikatsiyalar va yuqori quvvatli lazerlar kabi ilovalar uchun katta talabga ega.

Ammo bu ilovalarni amalga oshirish uchun superkondensatorlarga superkondensatorni energiyaga bog'liq bo'lgan qurilmalarga bog'laydigan yaxshiroq elektrodlar kerak. Ushbu elektrodlar keng miqyosda ishlab chiqarish uchun tezroq va arzonroq bo'lishi kerak, shuningdek, elektr yukini tezroq zaryadlash va tushirish imkoniyatiga ega bo'lishi kerak. Vashington universitetidagi muhandislar jamoasi ushbu qattiq sanoat va foydalanish talablariga javob beradigan superkondensatorli elektrod materiallarini ishlab chiqarish jarayonini o'ylab topdilar deb o'ylashadi.

UW materialshunoslik va muhandislik kafedrasi dotsenti Piter Pauzauskie boshchiligidagi tadqiqotchilar 17-iyul kuni Nature Microsystems and Nanoengineering jurnalida ularning superkondensator elektrodi va uni tez va arzon yasash usulini tasvirlab bergan maqola chop etishdi. Ularning yangi usuli aerogel deb ataladigan past zichlikdagi matritsaga quritilgan uglerodga boy materiallardan boshlanadi. Ushbu aerojel o'z-o'zidan qo'pol elektrod rolini o'ynashi mumkin, ammo Pauzauskie jamoasi uning sig'imini ikki baravar oshirdi, ya'ni elektr zaryadini saqlash qobiliyati.

Ushbu arzon boshlang'ich materiallar, soddalashtirilgan sintez jarayoni bilan birgalikda sanoatda qo'llash uchun ikkita umumiy to'siqni minimallashtiradi: narx va tezlik.

"Sanoat dasturlarida vaqt puldir", dedi Pauzauskie. “Biz bu elektrodlar uchun dastlabki materiallarni haftalar ichida emas, balki bir necha soat ichida tayyorlashimiz mumkin. Va bu yuqori samarali superkondensator elektrodlarini ishlab chiqarish uchun sintez narxini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin.

Samarali superkondensator elektrodlari yuqori sirt maydoniga ega bo'lgan uglerodga boy materiallardan sintezlanadi. Oxirgi talab juda muhim, chunki superkondensatorlar elektr zaryadini saqlashning o'ziga xos usulidir. An'anaviy akkumulyator elektr zaryadlarini uning ichida sodir bo'ladigan kimyoviy reaktsiyalar orqali saqlasa, superkondensator uning o'rniga musbat va manfiy zaryadlarni to'g'ridan-to'g'ri yuzasida saqlaydi va ajratadi.

"Superkondensatorlar batareyalarga qaraganda tezroq harakat qilishlari mumkin, chunki ular reaktsiya tezligi yoki hosil bo'lishi mumkin bo'lgan qo'shimcha mahsulotlar bilan cheklanmaydi", dedi hammuallif Metyu Lim, Materialshunoslik va muhandislik bo'limining UW doktoranti. "Superkondensatorlar juda tez zaryadlashi va zaryadsizlanishi mumkin, shuning uchun ular quvvatning "impulslarini" etkazib berishda ajoyibdir."

"Ular batareyaning o'zi juda sekin ishlaydigan sharoitlarda ajoyib ilovalarga ega", dedi hamkasbi muallif Metyu Kreyn, UW Kimyo muhandisligi bo'limi doktoranti. "Batareya energiyaga bo'lgan talabni qondirish uchun juda sekin bo'lgan paytlarda yuqori sirt maydoni elektrodiga ega superkondensator tezda "tepilib" energiya tanqisligini qoplashi mumkin."

Samarali elektrod uchun yuqori sirt maydonini olish uchun jamoa aerojellardan foydalangan. Bu suyuqlik tarkibiy qismlarini havo yoki boshqa gaz bilan almashtirish uchun quritish va isitishning maxsus ishlovidan o'tgan nam, jelga o'xshash moddalardir. Bu usullar gelning 3D strukturasini saqlab qoladi, bu esa unga yuqori sirt maydoni va nihoyatda past zichlik beradi. Bu Jell-O dan barcha suvni qisqarishsiz olib tashlashga o'xshaydi.

"Bir gramm aerojel bitta futbol maydoniga teng maydonni o'z ichiga oladi", dedi Pauzauskie.

Kran formaldegid va boshqa uglerod asosidagi molekulalardan yaratilgan, takrorlanuvchi strukturaviy birliklarga ega bo'lgan gelga o'xshash polimerdan aerojellarni yaratdi. Bu ularning qurilmasi, bugungi superkondensator elektrodlari kabi, uglerodga boy materiallardan iborat bo'lishini ta'minladi.

Ilgari Lim jelga bir atom qalinlikdagi uglerod qatlami bo'lgan grafenni qo'shish natijasida hosil bo'lgan aerojelni superkondensator xususiyatlariga ega bo'lishini ko'rsatdi. Biroq, Lim va Crane aerojelning ish faoliyatini yaxshilashi va sintez jarayonini arzon va oson qilishlari kerak edi.

Limning oldingi tajribalarida grafen qo'shilishi aerojelning sig'imini yaxshilamagan. Buning o'rniga ular molibden disulfidi yoki volfram disulfidining yupqa qatlamlari bilan aerojellarni yukladilar. Bugungi kunda ikkala kimyoviy modda ham sanoat moylash materiallarida keng qo'llaniladi.

Tadqiqotchilar ikkala materialni yuqori chastotali tovush to'lqinlari bilan davolashdi va ularni yupqa qatlamlarga bo'lishdi va ularni uglerodga boy gel matritsasiga kiritdilar. Ular to'liq yuklangan nam jelni ikki soatdan kamroq vaqt ichida sintez qilishlari mumkin edi, boshqa usullar esa ko'p kunlarni oladi.

Quritilgan, past zichlikdagi aerojelni qo'lga kiritgandan so'ng, ular uni yopishtiruvchi moddalar va boshqa uglerodga boy material bilan birlashtirib, sanoat "xamirini" yaratishdi, Lim uni oddiygina qalinligi bir necha mingdan bir dyuymli choyshablarga yoyishi mumkin edi. Ular xamirdan yarim dyuymli disklarni kesib, materialning superkondensator elektrodi sifatida samaradorligini tekshirish uchun ularni oddiy tangali akkumulyator korpuslariga yig'ishdi.

Ularning elektrodlari nafaqat tez, sodda va oson sintez qilingan, balki ular faqat uglerodga boy aerojeldan kamida 127 foizga katta sig'imga ega edi.

Lim va Kreyn molibden disulfidi yoki volfram disulfidining yupqa qatlamlari bilan to'ldirilgan aerojellar (ularning qalinligi taxminan 10 dan 100 atomgacha bo'lgan) yanada yaxshi ishlashini kutishadi. Lekin birinchi navbatda, ular yuklangan aerojellarni sintez qilish tezroq va arzonroq bo'lishini ko'rsatishni xohlashdi, bu sanoat ishlab chiqarish uchun zarur qadamdir. Keyinchalik nozik sozlash keladi.

Jamoa bu sa'y-harakatlar fanni superkondensator elektrodlari doirasidan tashqarida ham rivojlantirishga yordam berishiga ishonadi. Ularning aerojel bilan to'xtatilgan molibden disulfidi vodorod ishlab chiqarishni katalizlash uchun etarlicha barqaror bo'lib qolishi mumkin. Va ularning aerojellarda materiallarni tezda ushlab turish usuli yuqori sig'imli batareyalar yoki kataliz uchun qo'llanilishi mumkin.