Takım elektrikli arabalar için süper kapasitör elektrotlar, yüksek güçlü lazerler yapmak için hızlı, ucuz bir yöntem geliştirir

Anonim

Supercapacitors, geleneksel bataryalardan daha hızlı enerji depolayabilen ve teslim edebilen 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 kapasitörleri enerjilerine bağlı cihazlara bağlayan daha iyi elektrotlara ihtiyaçları vardır. Bu elektrotların hem büyük ölçüde hem daha hızlı hem de daha ucuz olmaları ve ayrıca elektrik yüklerini daha hızlı şarj edip deşarj edebilmeleri gerekir. Washington Üniversitesi'ndeki bir mühendis ekibi, bu sıkı endüstriyel ve kullanım taleplerini karşılayacak süper kapasitör elektrot malzemeleri üretmek için bir süreç geliştirdiklerini düşünüyor.

Malzeme bilimi ve mühendisliği Peter Pauzauskie'nin UW yardımcı doçentinin önderliğindeki araştırmacılar, 17 Temmuz'da Nature Microsystems ve Nano- mühendislik dalında, süper kapasitör elektrotlarını ve yaptıkları hızlı, ucuz bir şekilde açıklayan bir çalışma yayınladılar. Onların yeni yöntemi, aerojel adı verilen düşük yoğunluklu bir matrise kurutulmuş karbon açısından zengin materyallerle başlar. Bu aerojel, kendi başına bir ham elektrot gibi davranabilir, ancak Pauzauskie'nin ekibi, elektrik yükünü saklama kabiliyeti olan kapasitelerini ikiye katladı.

Bu ucuz başlangıç ​​malzemeleri, aerodinamik bir sentez işlemi ile birleştiğinde, endüstriyel uygulama için iki ortak engelleri en aza indirir: maliyet ve hız.

Pauzauskie, "Endüstriyel uygulamalarda zaman paradır, " dedi. "Bu elektrotlar için başlangıç ​​materyallerini haftalar yerine saatlerce yapabiliriz. Ve bu da yüksek performanslı süper kapasitör elektrotları yapmak için sentez maliyetini önemli ölçüde azaltabilir."

Etkili süperkapasitör elektrotlar, aynı zamanda yüksek bir yüzey alanına sahip olan karbonca zengin materyallerden sentezlenir. İkinci gereksinim, süper kapasitörlerin elektrik yükünü depolamanın benzersiz bir yolu olması nedeniyle kritik öneme sahiptir. Geleneksel bir pil, elektrik yüklerini kendi içinde meydana gelen kimyasal reaksiyonlarla depolarken, bir süperkapasitör bunun yerine pozitif ve negatif yükleri doğrudan yüzeyinde depolar ve ayırır.

"Süperkapasitörler pillerden çok daha hızlı hareket edebilirler, çünkü bunlar reaksiyonun hızı veya oluşabilecek yan ürünlerle sınırlı değildir, " diyor yardımcı malzeme yazarı Matthew Lim, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nde doktora öğrencisi. "Supercapacitors çok hızlı şarj ve deşarj olabilir, bu yüzden bu 'nabız' güçlerini vermede büyük nedenler."

UW Kimya Mühendisliği Bölümü'nde doktora öğrencisi olan başrol yazarı Matthew Crane, “Pilin kendi başına çok yavaş olduğu ortamlarda harika uygulamaları var” dedi. "Bir pilin enerji taleplerini karşılamak için çok yavaş olduğu anlarda, yüksek yüzey alanlı bir elektrota sahip bir süper kapasitör hızla devreye girip enerji açığını telafi edebilir."

Etkin bir elektrot için yüksek yüzey alanını elde etmek için ekip aerojel kullanmıştır. Bunlar, sıvı bileşenlerini hava veya başka bir gazla değiştirmek için özel bir kurutma ve ısıtma işleminden geçen ıslak, jel benzeri maddelerdir. Bu yöntemler, jelin 3-D yapısını koruyarak, yüksek yüzey alanı ve son derece düşük yoğunluk sağlar. Jell-O’daki tüm suları küçültmeksizin çıkarmak gibi.

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

Vinç, jel benzeri bir polimerden aerojelleri, formaldehit ve diğer karbon bazlı moleküller tarafından oluşturulan tekrarlanan yapısal birimlere sahip bir malzeme yaptı. Bu, cihazlarının, bugünün süper kapasitör elektrotları gibi, karbon açısından zengin materyallerden oluşmasını sağladı.

Daha önce Lim, jele sadece bir atom kalınlığında bir karbon olan grafen eklemenin, sonuçta ortaya çıkan aerojeni süperkapasitör özellikleriyle aşıladığını gösterdi. Ancak Lim ve Crane, aerojelin performansını arttırmak ve sentez işlemini daha ucuz ve daha kolay hale getirmek için gerekliydi.

Lim'in önceki deneylerinde, grafen eklenmesi aerojel kapasitansını geliştirmemiştir. Bunun yerine, ince tabakalardan ya molibden disülfit ya da tungsten disülfür ile aerojel yüklediler. Her iki kimyasal da günümüzde endüstriyel yağlayıcılarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Araştırmacılar, yüksek frekanslı ses dalgalarıyla her iki malzemeyi ince tabakalara ayırıp karbon açısından zengin jel matrisine dahil ettiler. Tam yüklü bir ıslak jeli iki saatten daha kısa sürede sentezleyebilirler, diğer yöntemler ise günlerce sürer.

Kurutulmuş, düşük yoğunluklu aerojel elde edildikten sonra, yapıştırıcılarla ve bir başka karbon-zengin malzeme ile birleştirerek endüstriyel bir "hamur" yaratırlar. Lim bir inç kalınlığının sadece birkaç binde birine kadar çıkabilir. Hamurdan yarım inçlik diskleri kestiler ve malzemenin bir süperkapasitör elektrodu olarak etkinliğini test etmek için bunları basit madeni para pili muhafazalarına yerleştirdiler.

Elektrotları sadece hızlı, basit ve kolay sentezlenmekle kalmadı, aynı zamanda tek başına karbon bakımından zengin aerojelden en az yüzde 127 daha büyük bir kapasitansa sahip oldular.

Lim ve Crane, daha ince tabakalar olan molibden disülfid veya tungsten disülfür ile yüklü olan aerojellerin, yaklaşık 10 ila 100 atom kalınlığında olduğunu ve daha da iyi bir performans göstereceğini bekler. Ama önce, yüklü aerojellerin sentezlenmesi daha hızlı ve daha ucuz olacağını göstermek istediler, endüstriyel üretim için gerekli bir adım. İnce ayar daha sonra gelir.

Ekip, bu çabaların, süper kapasitör elektrotları alanı dışında bile bilimi ilerletmeye yardımcı olabileceğine inanıyor. Aerojel süspansiyonlu molibden disülfid, hidrojen üretimini katalize etmek için yeterince stabil kalabilir. Ve aerojellerde materyalleri hızlı bir şekilde yakalama yöntemleri, yüksek kapasitans pillerine veya katalizine uygulanabilir.

menu
menu