Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Ny enhed lagrer elektricitet på siliciumchips

Siliciumchip med porøs overflade ved siden af ​​den specielle ovn, hvor den blev belagt med grafen for at skabe en superkondensatorelektrode. Kredit:Joe Howell / Vanderbilt)

(Phys.org) —Solceller, der producerer elektricitet 24/7, ikke kun når solen skinner. Mobiltelefoner med indbyggede strømceller, der genoplades på få sekunder og fungerer i uger mellem opladningerne.

Dette er blot to af de muligheder, der er rejst af et nyt superkondensatordesign opfundet af materialeforskere ved Vanderbilt University, som er beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftets 22. oktober-udgave Videnskabelige rapporter .

Det er den første superkondensator, der er lavet af silicium, så den kan indbygges i en siliciumchip sammen med det mikroelektroniske kredsløb, som den driver. Faktisk, det burde være muligt at konstruere disse strømceller ud af det overskydende silicium, der findes i den nuværende generation af solceller, sensorer, mobiltelefoner og en række andre elektromekaniske enheder, giver betydelige omkostningsbesparelser.

"Hvis du spørger eksperter om at lave en superkondensator af silicium, de vil fortælle dig, at det er en skør idé, " sagde Cary Pint, adjunkten i maskinteknik, der stod i spidsen for udviklingen. "Men vi har fundet en nem måde at gøre det på."

I stedet for at lagre energi i kemiske reaktioner, som batterier gør, "supercaps" lagrer elektricitet ved at samle ioner på overfladen af ​​et porøst materiale. Som resultat, de har en tendens til at oplade og aflade på få minutter, i stedet for timer, og fungerer i et par millioner cyklusser, i stedet for et par tusinde cyklusser som batterier.

Disse egenskaber har tilladt kommercielle superkondensatorer, som er lavet af aktivt kul, at fange et par nichemarkeder, såsom at lagre energi opsamlet af regenerative bremsesystemer på busser og elektriske køretøjer og at levere de strømudbrud, der kræves for at justere vingerne på gigantiske vindmøller til skiftende vindforhold. Superkondensatorer halter stadig bagefter lithium-ion-batteriers lagringsevne for elektrisk energi, så de er for omfangsrige til at drive de fleste forbrugerenheder. Imidlertid, de har hurtigt indhentet det.

Grafen viser effekttætheden (watt pr. kilogram) og energitætheden (watt-timer pr. kilogram) af kondensatorer fremstillet af porøst silicium (P-Si), grafenbelagte porøse silicium- og kulstofbaserede kommercielle kondensatorer. Kredit:Cary Pint / Vanderbilt

Forskning for at forbedre energitætheden af ​​superkondensatorer har fokuseret på kulstofbaserede nanomaterialer som grafen og nanorør. Fordi disse enheder lagrer elektrisk ladning på overfladen af ​​deres elektroder, måden at øge deres energitæthed på er at øge elektrodernes overfladeareal, hvilket betyder at lave overflader fyldt med nanoskala kamme og porer.

"Den store udfordring for denne tilgang er at samle materialerne, " sagde Pint. "Konstruerer højtydende, funktionelle enheder af nanoskala byggeklodser med ethvert kontrolniveau har vist sig at være ret udfordrende, og når det er opnået, er det svært at gentage."

Så Pint og hans forskerhold – kandidatstuderende Landon Oakes, Andrew Westover og post-doc-stipendiat Shahana Chatterjee - besluttede at tage en radikalt anderledes tilgang:ved at bruge porøst silicium, et materiale med en kontrollerbar og veldefineret nanostruktur fremstillet ved elektrokemisk ætsning af overfladen af ​​en siliciumwafer.

Dette gjorde det muligt for dem at skabe overflader med optimale nanostrukturer til superkondensatorelektroder, men det efterlod dem med et stort problem. Silicium anses generelt for uegnet til brug i superkondensatorer, fordi det reagerer let med nogle af kemikalierne i elektrolytterne, der giver de ioner, der lagrer den elektriske ladning.

Med erfaring i dyrkning af kulstof nanostrukturer, Pints ​​gruppe besluttede at forsøge at belægge den porøse siliciumoverflade med kulstof. "Vi anede ikke, hvad der ville ske, " sagde Pint. "Typisk, forskere dyrker grafen fra siliciumcarbidmaterialer ved temperaturer på over 1400 grader Celsius. Men ved lavere temperaturer – 600 til 700 grader Celsius – forventede vi bestemt ikke grafenlignende materialevækst."

Da forskerne trak det porøse silicium ud af ovnen, de fandt ud af, at det var blevet fra orange til lilla eller sort. Da de inspicerede det under et kraftigt scanningselektronmikroskop, fandt de ud af, at det så næsten identisk ud med det originale materiale, men det var belagt med et lag af grafen et par nanometer tykt.

Transmissionselektronmikroskopbillede af overfladen af ​​porøst silicium belagt med grafen. Belægningen består af et tyndt lag af 5-10 lag grafen, som fyldte porer med diametre mindre end 2-3 nanometer og således ikke ændrede det underliggende siliciums nanoskalaarkitektur. Kredit:Cary Pint / Vanderbilt

Da forskerne testede det belagte materiale, fandt de ud af, at det kemisk havde stabiliseret siliciumoverfladen. Da de brugte det til at lave superkondensatorer, de fandt ud af, at grafenbelægningen forbedrede energitætheder med over to størrelsesordener sammenlignet med dem fremstillet af ubelagt porøst silicium og væsentligt bedre end kommercielle superkondensatorer.

Grafenlaget fungerer som en atomisk tynd beskyttende belægning. Pint og hans gruppe hævder, at denne tilgang ikke er begrænset til grafen. "Evnen til at konstruere overflader med atomisk tynde lag af materialer kombineret med den kontrol, der opnås ved at designe porøse materialer, åbner muligheder for en række forskellige anvendelser ud over energilagring, " han sagde.

"På trods af den fremragende enhedsydelse, vi opnåede, vores mål var ikke at skabe enheder med rekordydelse, " sagde Pint. "Det var at udvikle en køreplan for integreret energilagring. Silicium er et ideelt materiale at fokusere på, fordi det er grundlaget for så meget af vores moderne teknologi og applikationer. Ud over, det meste af siliciumet i eksisterende enheder forbliver ubrugt, da det er meget dyrt og spild at producere tynde siliciumwafers."

Pints ​​gruppe bruger i øjeblikket denne tilgang til at udvikle energilagring, der kan dannes i de overskydende materialer eller på de ubrugte bagsider af solceller og sensorer. Superkondensatorerne vil lagre overskydende elektricitet, som cellerne genererer ved middagstid, og frigive den, når efterspørgslen topper om eftermiddagen.

"Alle de ting, der definerer os i et moderne miljø, kræver elektricitet, " sagde Pint. "Jo mere vi kan integrere strømlagring i eksisterende materialer og enheder, jo mere kompakte og effektive bliver de."