Nanobundter giver et kraftfuldt slag

Rice University forskere har skabt en solid state, nanorør-baseret superkondensator, der lover at kombinere de bedste kvaliteter af højenergibatterier og hurtigopladningskondensatorer i en enhed, der er egnet til ekstreme miljøer.

Et papir fra rislaboratoriet af kemiker Robert Hauge, offentliggøres i tidsskriftet Kulstof , rapporterede skabelsen af ​​robuste, alsidig energilagring, der kan integreres dybt i fremstillingen af ​​enheder. Potentielle anvendelser spænder over on-chip nanokredsløb til hele kraftværker.

Standardkondensatorer, der regulerer flow eller leverer hurtige strømudbrud, kan aflades og genoplades hundredtusindvis af gange. Elektriske dobbeltlagskondensatorer (EDLC'er), almindeligvis kendt som superkondensatorer, er hybrider, der rummer hundredvis af gange mere energi end en standardkondensator, som et batteri, samtidig med at de bevarer deres hurtige opladnings-/afladningsmuligheder.

Men traditionelle EDLC'er er afhængige af flydende eller gel-lignende elektrolytter, der kan nedbrydes under meget varme eller kolde forhold. I Rice's superkondensator, en solid, nanoskala lag af oxid dielektrisk materiale erstatter elektrolytter fuldstændigt.

Forskerne udnyttede også skalaen. Nøglen til høj kapacitans er at give elektroner mere overfladeareal at bebo, og intet på Jorden har mere potentiale til at pakke en masse overfladeareal ind i et lille rum end kulstofnanorør.

Når de er vokset, nanorør samler sig selv til tætte, afstemte strukturer, der ligner mikroskopiske shag-tæpper. Selv efter at de er blevet omdannet til selvstændige superkondensatorer, hvert bundt af nanorør er 500 gange længere, end det er bredt. En lille chip kan indeholde hundredtusindvis af bundter.

For den nye enhed, Rice-teamet dyrkede en række 15-20 nanometer bundter af enkeltvæggede kulstofnanorør op til 50 mikron lange. Hauge, en fremtrædende fakultetsstipendiat i kemi, ledede indsatsen med tidligere Rice-studerende Cary Pint, første forfatter af papiret og nu forsker hos Intel, og Nolan Nicholas, nu forsker ved Matric.

Arrayet blev derefter overført til en kobberelektrode med tynde lag af guld og titanium for at hjælpe adhæsion og elektrisk stabilitet. Nanorørbundterne (de primære elektroder) blev doteret med svovlsyre for at forbedre deres ledende egenskaber; derefter blev de dækket med tynde lag af aluminiumoxid (det dielektriske lag) og aluminium-doteret zinkoxid (modelektroden) gennem en proces kaldet atomisk lagaflejring (ALD). En topelektrode af sølvmaling fuldendte kredsløbet.

"I bund og grund, du får denne metal/isolator/metalstruktur, " sagde Pint. "Ingen har nogensinde gjort dette med et så højt billedformat materiale og ved at bruge en proces som ALD."

Hauge sagde, at den nye superkondensator er stabil og skalerbar. "Alle solid state-løsninger til energilagring vil blive tæt integreret i mange fremtidige enheder, inklusive fleksible skærme, bio-implantater, mange typer sensorer og alle elektroniske applikationer, der nyder godt af hurtige opladnings- og afladningshastigheder, " han sagde.

Pint sagde, at superkondensatoren holder en ladning under højfrekvent cykling og kan integreres naturligt i materialer. Han forestillede sig en elbil, der er et batteri, eller en mikrorobot med en onboard, ikke-toksisk strømforsyning, der kan injiceres til terapeutiske formål i en patients blodbane.

Pint sagde, at det ville være ideelt til brug under den slags ekstreme forhold, der opleves af ørkenbaserede solceller eller i satellitter, hvor vægt også er en kritisk faktor. "Udfordringen for fremtidens energisystemer er at integrere tingene mere effektivt. Denne solid state-arkitektur er på forkant, " han sagde.