Кремнієві суперконденсатори зможуть зберігати енергію прямо всередині електронних чіпів
Група дослідників з університету Вандербілта (Vanderbilt University), Нашвілл, Теннессі, розробила суперконденсатори нового типу, велика частина конструкції яких виготовлені із кремнію. Ці суперконденсатори, демонструють досить високий показник щільності зберігання енергії, дозволять інтегрувати джерела енергії прямо всередину електронних чіпів, дозволяючи їм виконувати свою роботу протягом тривалого часу навіть при відсутності підведення зовнішньої енергії.
Суперконденсатори електролітичного типу, подібно до звичайних електролітичним конденсаторів, зберігають енергію, притягаючи іони різної полярності до поверхонь пластин їх електродів. Кількість іонів, які можуть бути ефективно утримано поблизу пластин конденсаторів, залежить від площі поверхні цих пластин. Для збільшення ефективної площі поверхню зазвичай покривається шаром струмопровідних матеріалів, наприклад, активованим вугіллям, матеріалом, пронизаним мережею мікроскопічних пір, збільшують площу поверхні.
На жаль, поки ще суперконденсатори не можуть посперечатися з літій-іонними акумуляторними батареями за їх електричної ємності, тобто здатності зберігати велику кількість енергії. Але вони мають більш тривалим терміном служби, високою надійністю і чудовими швидкісними характеристиками, які дозволяють суперконденсатору практично моментально поглинути або віддати велику кількість енергії. Тому практичне використання суперконденсаторів обґрунтовано лише там, де є необхідність швидкого накопичення великої кількості енергії, наприклад, в системах рекуперативних гальм електричних і гібридних автомобілів.
Вчені весь час намагаються збільшити кількість енергії, яку можуть зберегти суперкондесаторы. Для цього вони експериментують з різними высокопористыми гібридними матеріалами, такими, як "лісу" з вуглецевих нанотрубок або частинки графена, розташовані на пластинах конденсаторів. Такі прийоми дозволяють кардинально збільшити ємність суперконденсаторів, але з практичної точки зору їх ще вкрай важко реалізувати в масштабах промислового виробництва.
Кері Пінт (Cary Pint), доцент університету Вандербілта, разом з його колегами, також працюють над проблемою збільшення електричної ємності суперконденсаторів. Але у своїх дослідженнях вони зробили незвичайний вибір у бік пористого кремнію, як основного матеріалу конструкції конденсатора. Незвичність вибору дослідників полягає в тому, що кремній досить активно реагує з більшістю речовин, що входять до складу електроліту, що призводить до швидкого руйнування структури суперконденсатора. Але, з іншого боку, кремній є матеріалом, властивості якого вивчені майже досконало, а електронна промисловість має в своєму розпорядженні масу методів технологічної обробки кремнію, що дозволяють, у тому числі, отримати високопористий кремній.
Для захисту кремнію від дії електроліту вчені придумали оригінальне рішення. Вони ретельно змішали пористий кремній з чистим вуглецем і нагріли цю суміш до температури близько 800 градусів за шкалою Цельсія в присутності газової захисної атмосфери. В результаті цього з вуглецю сформувався шар графену, який буквально обволік собою всю поверхню кремнію, включаючи і внутрішні поверхні мікроскопічних пір. Цей графен став свого роду захисним покриттям, що захищає гніт від впливу активних речовин, розчинених в електроліті.
Кремнієві пластини суперконтенасторов, що пройшли обробку вищеописаним способом, показали щільність зберігання енергії в 40 разів вище, ніж показники енергетичної щільності суперконденсаторів, виготовлених з "голого" кремнію. При цьому, завдяки захисту кремнію графенової плівкою, вченим так і не вдалося зареєструвати зниження електричної ємності суперконденсаторів з часом із-за руйнування кремнію електролітом.
Завдяки розробці такої відносно простої технології можна буде без особливих проблем налагодити масове виробництво недорогих кремнієвих суперконденсаторів, благо кремній і вуглець є одними з найбільш поширених елементів на земній кулі. З-за кремнієвої "природи" таких суперконденсаторів їх можна буде вбудовувати безпосередньо в структуру електронних чіпів або інших напівпровідникових приладів, у яких, як правило, присутні великі області невикористаного кремнію. Прикладом цього можуть служити кремнієві сонячні батареї, на звороті яких можна виготовити суперконденсатори, які будуть накопичувати в собі надлишки енергії і віддавати її в мережу під час пікового споживання.