Ny energi inde i en mikrokredsløbschip:VTT udviklede en effektiv nanomateriale-baseret integreret energi

VTT Teknisk Forskningscenter i Finland udviklede et ekstremt effektivt energilager i lille størrelse, en mikro-superkondensator, som kan integreres direkte inde i en silicium mikrokredsløbschip. Den høje energi- og effekttæthed af den miniaturiserede energilagring er afhængig af det nye hybride nanomateriale udviklet for nylig hos VTT. Denne teknologi åbner nye muligheder for integrerede mobile enheder og baner vejen for nul-power autonome enheder, der kræves til fremtidens Internet of Things (IoT).

Superkondensatorer ligner elektrokemiske batterier. Imidlertid, i modsætning til for eksempel mobiltelefon lithium-ion batterier, som bruger kemiske reaktioner til at lagre energi, superkondensatorer lagrer hovedsageligt elektrostatisk energi, der er bundet ved grænsefladen mellem flydende og faste elektroder. På samme måde som batterier er superkondensatorer typisk diskrete enheder med mange forskellige anvendelsesmuligheder fra små elektroniske gadgets til de store energilagre i elektriske køretøjer.

Energi- og effekttætheden af ​​en superkondensator afhænger af overfladearealet og ledningsevnen af ​​de faste elektroder. VTTs forskningsgruppe har udviklet en hybrid nanomaterialeelektrode, som består af porøst silicium belagt med et par nanometer tykt titaniumnitridlag ved atomlagsdeposition (ALD). Denne tilgang fører til en rekordstor ledende overflade i et lille volumen. Inkludering af ionisk væske i en mikrokanal dannet mellem to hybridelektroder resulterer i ekstremt lille og effektiv energilagring.

Den nye superkondensator har fremragende ydeevne. For første gang, siliciumbaserede mikro-superkondensatorer konkurrerer med de førende kulstof- og grafenbaserede enheder inden for magten, energi og holdbarhed.

Mikro-superkondensatorer kan integreres direkte med aktive mikroelektroniske enheder for at lagre elektrisk energi genereret af forskellige termiske, lys- og vibrationsenergihøstere og til at levere den elektriske energi, når det er nødvendigt. Dette er vigtigt for autonome sensornetværk, bærbar elektronik og mobil elektronik i IoT.

VTTs forskningsgruppe tager integrationen til det yderste ved at integrere det nye nanomateriale mikro-supercapacitor energilager direkte inde i en siliciumchip. Den demonstrerede in-chip supercapacitor-teknologi gør det muligt at lagre energi på hele 0,2 joule og en imponerende strømproduktion på 2 watt på en en kvadratcentimeter siliciumchip. Samtidig efterlader den overfladen af ​​chippen tilgængelig for aktive integrerede mikrokredsløb og sensorer.