Кремниевые суперконденсаторы смогут хранить энергию прямо внутри электронных чипов

       
                                     

Группа исследователей из университета Вандербилта (Vanderbilt University), Нашвилл, Теннеси, разработала суперконденсаторы нового типа, большая часть конструкции которых изготовлена из кремния. Эти суперконденсаторы, демонстрирующие весьма высокий показатель плотности хранения энергии, позволят интегрировать источники энергии прямо внутрь электронных чипов, позволяя им выполнять свою работу в течение длительного времени даже при отсутствии подвода внешней энергии.

Суперконденсаторы электролитического типа, подобно обычных электролитическим конденсаторам, хранят энергию, притягивая ионы различной полярности к поверхностям пластин их электродов. Количество ионов, которые могут быть эффективно удержаны вблизи пластин конденсаторов, зависит от площади поверхности этих пластин. Для увеличения эффективной площади поверхность обычно покрывается слоем токопроводящих материалов, к примеру, активированным углем, материалом, пронизанным сетью микроскопических пор, увеличивающих площадь поверхности.

К сожалению, пока еще суперконденсаторы не могут поспорить с литий-ионными аккумуляторными батареями по их электрической емкости, т.е. по способности хранить большое количество энергии. Но они обладают более длительным сроком службы, высокой надежностью и превосходными скоростными характеристиками, которые позволяют суперконденсатору практически моментально поглотить или отдать большое количество энергии.

Поэтому практическое использование суперконденсаторов обосновано лишь там, где есть необходимость быстрого накопления большого количества энергии, к примеру, в системах рекуперативных тормозов электрических и гибридных автомобилей.

Ученые все время пытаются увеличить количество энергии, которую могут сохранить суперкондесаторы. Для этого они экспериментируют с различными высокопористыми гибридными материалами, такими, как «леса» из углеродных нанотрубок или частицы графена, расположенные на пластинах конденсаторов. Такие приемы позволяют кардинально увеличить емкость суперконденсаторов, но с практической точки зрения их еще крайне тяжело реализовать в масштабах промышленного производства.

                                        20131024_3_2.jpg

                                                                                           Рис. 1.

Кэри Пинт (Cary Pint), доцент из университета Вандербилта, вместе с его коллегами, также работают над проблемой увеличения электрической емкости суперконденсаторов. Но в своих исследованиях они сделали необычный выбор в сторону пористого кремния, как основного материала конструкции конденсатора.

Необычность выбора исследователей заключается в том, что кремний достаточно активно реагирует с большинством веществ, входящих в состав электролита, что приводит к быстрому разрушению структуры суперконденсатора. Но, с другой стороны, кремний является материалом, свойства которого изучены почти досконально, а электронная промышленность имеет в своем распоряжении массу методов технологической обработки кремния, позволяющих, в том числе, получить высокопористый кремний.

Для защиты кремния от воздействия электролита ученые придумали оригинальное решение. Они тщательно смешали пористый кремний с чистым углеродом и нагрели эту смесь до температуры порядка 800 градусов по шкале Цельсия в присутствии газовой защитной атмосферы. В результате этого из углерода сформировался слой графена, который буквально обволок собой всю поверхность кремния, включая и внутренние поверхности микроскопических пор. Этот графен стал своего рода защитным покрытием, предохраняющим кремний от воздействия активных веществ, растворенных в электролите.

Кремниевые пластины суперконденасторов, прошедшие обработку вышеописанным способом, показали плотность хранения энергии в 40 раз выше, чем показатели энергетической плотности суперконденсаторов, изготовленных из «голого» кремния. При этом, благодаря защите кремния графеновой пленкой, ученым так и не удалось зарегистрировать снижения электрической емкости суперконденсаторов со временем из-за разрушения кремния электролитом.

Благодаря разработке такой относительно простой технологии можно будет без особых проблем наладить массовое производство недорогих кремниевых суперконденсаторов, благо кремний и углерод являются одними из самых распространенных элементов на земном шаре.

Из-за кремниевой «природы» таких суперконденсаторов их можно будет встраивать прямо в структуру электронных чипов или других полупроводниковых приборов, в которых, как правило, присутствуют большие области неиспользованного кремния.

Примером этому могут служить кремниевые солнечные батареи, на обратной стороне которых можно изготовить суперконденсаторы, которые будут накапливать в себе излишки энергии и отдавать ее в сеть во время пикового потребления.