超级电容器是一种恰当命名的设备类型，可以比传统电池更快地存储和输送能量。它们对电动汽车，无线通信和高功率激光器等应用的需求很大。
但要实现这些应用，超级电容器需要更好的电极，将超级电容器连接到依赖于其能量的器件。这些电极需要更快速和更便宜地大规模制造并且还能够更快地充电和放电其电负载。华盛顿大学的一个工程师团队认为他们已经提出了制造超级电容器电极材料的工艺，以满足这些严格的工业和使用需求。
由UW材料科学与工程助理教授Peter Pauzauskie领导的研究人员于7月17日在Nature Microsystems和Nanoengineering杂志上发表了一篇论文，描述了他们的超级电容器电极及其制造的快速，廉价的方法。他们的新方法始于富含碳的材料，这些材料已被干燥成称为气凝胶的低密度基质。这种气凝胶本身就可以起到粗糙的作用，但是Pauzauskie的团队的电容增加了一倍多，这就是它储存电荷的能力。
这些廉价的原材料与简化的合成工艺相结合，最大限度地减少了工业应用的两个常见障碍：成本和速度。
“在工业应用中，时间就是金钱，”Pauzauskie说。“我们可以在数小时内制造这些电极的起始材料，而不是数周。这可以大大降低制造高性能超级电容器电极的合成成本。”
有效的超级电容器电极由富含碳的材料合成，这些材料也具有高表面积。由于超级电容器存储电荷的独特方式，后一要求至关重要。传统电池通过其中发生的化学反应来存储电荷，而超级电容器则直接在其表面上存储和分离正电荷和负电荷。
“超级电容器的作用速度比电池快得多，因为它们不受反应速度或可能形成的副产物的限制，”联合主要作者，材料科学与工程系的华盛顿大学博士生Matthew Lim说。“超级电容器可以非常快速地充电和放电，这就是为什么它们能够很好地提供这些’脉冲’电源。”
“他们在电池本身太慢的环境中有很好的应用，”其他主要作者，华盛顿大学化学工程系博士生Matthew Crane说。“在电池速度太慢无法满足能源需求的情况下，具有高表面积电极的超级电容器可以快速启动并弥补能量不足。”
为了获得高效电极的高表面积，该团队使用了气凝胶。这些是湿的凝胶状物质，经过特殊的干燥和加热处理，用空气或其他气体代替液体成分。这些方法保留了凝胶的3-D结构，使其具有高表面积和极低的密度。这就像从Jell-O中取出所有的水一样没有收缩。
“一克气凝胶含有的表面积与一个足球场一样多，”Pauzauskie说。
Crane用凝胶状聚合物制造气凝胶，这种聚合物是一种具有重复结构单元的材料，由甲醛和其他碳基分子制成。这确保了他们的设备，如今的超级电容器电极，将由富含碳的材料组成。
此前，Lim证明，向凝胶中加入石墨烯 – 这是一片仅有一个原子厚度的碳 – 使得到的气凝胶具有超级电容器特性。但是，Lim和Crane需要提高气凝胶的性能，使合成过程更便宜，更容易。
在Lim先前的实验中，添加石墨烯并没有改善气凝胶的电容。因此，他们装载了具有二硫化钼或二硫化钨薄片的气凝胶。这两种化学品目前在工业润滑油中广泛使用。
研究人员用高频声波处理这两种材料，将它们分解成薄片，并将它们加入到富含碳的凝胶基质中。他们可以在不到两个小时内合成一个满载的湿凝胶，而其他方法需要很多天。
在获得干燥的低密度气凝胶后，他们将它与粘合剂和另一种富含碳的材料结合在一起，形成了一种工业“面团”，Lim可以简单地卷成千分之几英寸厚的薄片。他们从面团上切下半英寸的圆盘，并将它们组装成简单的纽扣电池外壳，以测试材料作为超级电容器电极的有效性。
它们的电极不仅快速，简单且易于合成，而且它们的电容也比单独的富碳气凝胶高出至少127%。
Lim和Crane预计，装有更薄的二硫化钼或二硫化钨薄片的气凝胶 – 他们的厚度约为10到100个原子 – 会表现出更好的性能。但首先，他们想表明加载的气凝胶合成速度更快，成本更低，这是工业生产的必要步骤。接下来是微调。
该团队认为，这些努力有助于在超级电容器电极范围之外推进科学研究。它们的气凝胶悬浮二硫化钼可能保持足够稳定以催化氢气生成。他们在气凝胶中快速捕集材料的方法可以应用于高容量电池或催化剂。
