Простая технология позволяет интегрировать суперконденсаторы в кремниевые устройства

Солнечные батареи, производящие электроэнергию круглые сутки, мобильные телефоны, заряжающиеся за секунды и работающие затем неделями без подзарядки, — это лишь две возможности, которые способен сделать реальностью новый суперконденсатор, изобретенный в Университете Вандербильта.

Статья, описывающая это достижение, вышла 22 октября в журнале Scientific Reports.

Суперконденсаторы запасают энергию не в химических реакциях, как аккумуляторы, а собирая ионы на поверхности пористого материала. В результате, они могут заряжаться и разряжаться за минуты вместо часов, и сохранять работоспособность на протяжении миллионов, а не нескольких тысяч циклов.

Такие свойства позволили коммерческим суперконденсаторам, сделанным из активированного углерода, укрепиться на некоторых нишевых рынках, таких как регенеративные системы торможения. По энергоемкости они все еще значительно отстают от литий-ионных батарей, но этот разрыв быстро сокращается.

В своем исследовании сотрудники университета ориентировались на пористый кремний, достоинством которого является возможность создания точной и воспроизводимой наноструктуры поверхности электрохимическим травлением. Но кремний считается неподходящим материалом для суперконденсаторов, поскольку он активно вступает в химические реакции с веществами электролитов.

«Если вы спросите экспертов о том, чтобы сделать суперконденсатор из кремния, они скажут, что это безумная идея, — комментирует Кэри Пинт (Cary Pint), адъюнкт-профессор машиностроения, возглавлявший разработку. — Но мы нашли простой способ осуществить это».

Для химической стабилизации поверхности кремния они нанесли на нее в печи при температурах 600-700 °С покрытие из 5-10 слоев графена. Они закрыли поры диаметром менее 2-3 нм, но в остальном оставили нанотекстуру кремниевой основы неизменной.

Протестировав полученный материал в составе суперконденсаторов, исследователи установили, что графеновое покрытие увеличивает плотность энергии на два порядка по сравнению с незащищенным пористым кремнием и существенно превосходит по этому показателю даже коммерческие суперконденсаторы.

Группа Пинта сейчас работает над технологией, которая позволила бы превратить в суперконденсаторы кремний на неиспользуемых тыльных поверхностях солнечных батарей и сенсоров. Это позволило бы компактно запасать избыточную энергию, полученную в середине дня, и высвобождать ее в периоды пикового вечернего спроса.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI