Кремниевые суперконденсаторы смогут хранить энергию прямо внутри электронных чипов
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.
Структура суперконденсатора
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 суперконтенасторов, 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.
