Internet of Things har brug for ultrakompakte superkondensatorer

Øget efterspørgsel efter super bittesmå elektroniske sensorer fra sundhedsvæsenet, miljøtjenester og Internet of Things foranlediger en søgning efter lige så små måder at drive disse sensorer på. En gennemgang af tilstanden af ​​ultrakompakte superkondensatorer, eller "mikro-superkondensatorer", konkluderer, at der stadig er meget forskning, der skal gøres, før disse enheder kan indfri deres løfte.

Anmeldelsen blev vist i tidsskriftet Nano Research Energy .

De seneste års eksplosion af efterspørgsel efter miniaturiserede elektroniske enheder, såsom sundhedsmonitorer, miljøsensorer og trådløse kommunikationsteknologier, har igen drevet efterspørgslen efter komponenter til de enheder, der har stadig mindre størrelse og vægt, med lavere energiforbrug, og alt dette til billigere priser.

Det mest illustrerende for kravet til sådanne højtydende, men små komponenter til elektronik er de nye, men væsentlige behov for tingenes internet – indlejringen af ​​flere mikrosensorer, der kan modtage, behandle og transmittere signaler på tværs af en række applikationer fra smart- hjemmeteknologi til sundhedsvæsenet. Sådanne mikrosensorer har en tendens til at blive installeret i ekstremt begrænsede rum.

Da disse mikrosensorer – ligesom deres makrofætre – skal køre på energi et sted fra, skal de parres med lige så små "mikrostrøm"-kilder. Men inkorporeringen af ​​konventionelle energilagringsenheder såsom batterier, selv meget små, gør sensorerne alt for tunge og omfangsrige til Internet of Things-kravene.

Som et resultat har videnskabsmænd og ingeniører undersøgt muligheden for at omdanne energikilder såsom lys eller endda mekaniske vibrationer til elektricitet, men dette kræver stadig en form for energilagring for at kompensere for disse kilders intermittens og ustabilitet.

Hvad kan fungere som et batteri, men behøver ikke være så omfangsrigt som et batteri? Mikro-superkondensatorer er én mulighed.

Kondensatorer kan være velkendte for elektrikere og elektriske ingeniører, men den brede offentlighed kan være mindre bekendt med, hvordan disse fungerer, end de er med batterier. En kondensator lagrer energi, men i form af et elektrisk felt i stedet for kemisk som med et batteri. Det kan ikke lagre så meget energi som et batteri, men det kan oplade og frigive sin energi meget hurtigere.

En superkondensator er en kondensator med meget mere energilagringskapacitet end en almindelig kondensator, hvilket gør den til et halvvejshus mellem kondensatorer og batterier. Og en ultrakompakt superkondensator eller "mikro-supercapacitor" (MSC) er en superkondensator, der er lille nok til at blive integreret i mikro- eller endda nano-elektroniske systemer.

Det er disse MSC'er, der har fået voksende opmærksomhed i æraen af ​​tingenes internet, især for at tillade selvdrevne og trådløse mikro- og nano-elektroniske funktioner. Dette skyldes deres enestående effekt, ultralange levetider på omkring 100.000 cyklusser, mere kontrollerbare diffusionsveje for elektroner eller ioner (de små kinetiske "aktører", der udfører alt arbejdet i elektroniske systemer), justerbar udgangsydelse og nem integration med super små systemer.

"Men der er stadig mange udfordringer for, at alt dette kan fungere," sagde Zhong-Shuai Wu, medforfatter af gennemgangspapiret og professor ved State Key Laboratory of Catalysis, ved det kinesiske videnskabsakademi. "Så vi tænkte, at det var på tide at sammensætte en anmeldelsesartikel, så feltet bedre kan identificere, hvad vi har fået rigtigt, og hvad der stadig skal rettes."

Anmeldelsesartikler er et centralt stadie i udviklingen af ​​en ung disciplin, så forskere kan afklare den nuværende forståelse, identificere udfordringer og forskningshuller. Anmeldelser kan også give retningslinjer for politik og tips om bedste praksis.

Korrekturlæserne konkluderede, at størrelsen af ​​de fleste MSC'er, der er blevet rapporteret i den videnskabelige litteratur, forbliver for stor til let at blive inkorporeret i mikroelektroniske systemer. Begrænset opmærksomhed har været fokuseret på fremstillingen af ​​ultrasmå MSC'er, der er mindre end ti kvadratmillimeter, og på hyperkompakt indeslutning af elektrolyt (et nøgleelement i MSC'er) i mikroskala.

En hovedudfordring for MSC'er er fortsat behovet for at reducere funktionsstørrelsen, herunder mikroelektrodelængden, -bredden og afstanden mellem tilstødende mikroelektroder. Alt dette ville forbedre muligheden for integration af MSC'er i de relevante enheder. På denne måde har mange MSC-undersøgelser fokuseret på højpræcisionsmikrofremstillingsteknikker såsom fotolitografi, laserskriveteknik, fokuseret ionstråleætsning og nye udskrivningsmetoder.

Andre nyere MSC-fremskridt omfatter udvikling af overlegen opløsning, indstillelig udgangsspænding, forbedret kapacitans (MSC'ens evne til at opsamle og lagre energi i form af elektrisk ladning) og aflejring af formtilpassede elektrolytter.

På trods af en række imponerende præstationer, især på nanometerskalaen, er energi- og effekttæthed fortsat utilfredsstillende for omkostningseffektiv ydeevne. Derudover virker teoretisk forståelsesbehov. I denne henseende argumenterer forfatterne for et større tværfagligt samarbejde i betragtning af antallet af felter, der er relevante for MSC-forskning, og vil gerne se introduktion af maskinlæring for at hjælpe med præcist design af MSC'er for mere præcist at matche de forskellige krav i forskellige smarte applikationsscenarier. + Udforsk yderligere

Nye miniaturiserede energilagringsenheder til mikrosystemapplikationer:Fra design til integration