Новое устройство сможет хранить энергию прямо на микросхемах Печать
Новости науки
28.10.2013
«Если вы спросите специалистов о том, можно ли сделать суперконденсатор из кремния, они скажут вам, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint) из Университета Вандербильта (США), возглавляющий разработку таких ионисторов. — В отличие от них, мы знаем, как это сделать».

Храня энергию не в ионах, как обычные аккумуляторы, а в электронах, суперконденсаторы разряжаются и заряжаются за минуты, а не часы, и работают миллионы циклов вместо тысяч.

Схема устройства новых суперконденсаторов (справа) отличается от обычной (слева) слоем графеновой защиты кремниевых обкладок. (Здесь и ниже иллюстрации Cary L. Pint et al.)


Главный недостаток ионисторов — меньшую, чем у химических аккумуляторов, ёмкость — пытаются одолеть множеством способов, хотя в основном речь идёт об использовании графена и нанотрубок. Но чтобы поверхность обкладок таких конденсаторов могла хранить максимум электронов, она должна быть предельно неровной, состоящей из высоких наногребней и пор. Увы, в этом случае сборка такого наноматериала из графена очень трудна.

Для решения проблемы «матрицы» таких наноконструкций группа г-на Пинта обратилась к пористому кремнию — материалу с контролируемой и хорошо известной наноструктурой, изготавливаемому с помощью электрохимического травления поверхности кремниевых подложек. Так удалось создать исключительно пористую наноструктуру, проблемой которой оставалась лишь готовность кремния реагировать с электролитами суперконденсатора, то есть та слабость, которая, по словам Кэри Пинта, делает саму идею такого устройства безумной.

Во избежание подобных реакций разработчики покрыли пористую поверхность кремния углеродом, а затем нагрели до 600–700 °С. Если вы думаете, что учёные хотели покрыть кремний графеном, то ошибаетесь. Чтобы получить графен из карбида кремния, полуфабрикат нагревают до 1 400 °С и выше. Прямо скажем, итог эксперимента оказался неожиданным: на поверхности относительно слабо нагретого кремния с углеродным покрытием образовался слой графена толщиной в несколько нанометров.

Вот так случайно был открыт новый метод получения графеновых плёнок. И не только он: кремний оказался защищённым от химических реакций с электролитом, а полученные на этой основе суперконденсаторы показали ёмкость, значительно более высокую, чем продающиеся сегодня изделия.

Что это может дать, кроме собственно суперконденсаторов? Идея г-на Пинта в том, что сегодня кремниевые устройства часто недоиспользуются: для работы им нужна толщина в несколько раз меньше той, что они реально имеют. Так получается не потому, что кристаллический кремний дёшев (фактически он дорог), а потому что сделать кремниевую подложку нужной толщины очень сложно, и она, несмотря на меньший расход материала, выходит дороже, нежели более толстая, с толщиной, которая, в принципе, не нужна.

А это значит, что солнечные батареи и многие детали элементной базы компьютеров используются не на все сто. В то же время сравнительно простая процедура позволяет создать на их задней, нерабочей стороне накопитель энергии, способный практически мгновенно заряжаться и разряжаться. Хотя максимальная ёмкость для таких устройств ещё не достигнута, а ту, что есть, нарастить можно весьма значительно, даже сегодня фотоэлементы, хранящие энергию в собственной толще, и электроника, спокойно переживающая перерывы в питании, в промышленности могут, что называется, оторвать с руками.

Ёмкость ионисторов на кремнии без случайно полученного графенового покрытия показана синими точками, находящиеся в продаже массовые суперконденсаторы — светло-синим полем, показатели новых кремниевых, но с графеновым покрытием — красным.


Сейчас разработчики создают прототипы как раз таких солнечных батарей, которые предназначены для запасания энергии полуденного солнца и её отдачи в моменты пиковой вечерней нагрузки. Кроме того, в их планах — проверка возможности работы мобильных телефонов на накопителях, находящихся непосредственно на нефункциональной стороне их кремниевых микросхем. Такие аппараты не только смогут дольше действовать от одной зарядки, но и заметно быстрее заряжаться.

Отчёт об исследовании опубликован в Scientific Reports (доступен полный текст).

Источник - http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/materialovedenie/10009678/