Создан миниатюрный суперконденсатор со сверхвысокой емкостью накопления заряда
Исследователи из отдела приборостроения и прикладной физики (IAP) Индийского института науки (IISc) разработали новый ультрамикросуперконденсатор, крошечное устройство, способное накапливать огромное количество электрического заряда. Он намного меньше и компактнее, чем существующие суперконденсаторы, и потенциально может использоваться во многих устройствах, от уличных фонарей до бытовой электроники, электромобилей и медицинских устройств.
В настоящее время большинство этих устройств питаются от аккумуляторов. Однако со временем батареи теряют способность накапливать заряд и, следовательно, имеют ограниченный срок годности.
Конденсаторы, с другой стороны, могут хранить электрический заряд гораздо дольше благодаря своей конструкции. Например, конденсатор, работающий при напряжении 5 вольт, будет продолжать работать при том же напряжении даже через десять лет. Но в отличие от батарей они не могут постоянно отдавать энергию — например, для питания мобильного телефона.
Суперконденсаторы, с другой стороны, сочетают в себе лучшее от аккумуляторов и конденсаторов — они могут хранить, а также высвобождать большое количество энергии, и поэтому они очень востребованы для электронных устройств следующего поколения.
В текущем исследовании, опубликованном в ACS Energy Letters, ученые изготовили свой суперконденсатор, используя полевые транзисторы в качестве коллекторов заряда вместо металлических электродов, которые используются в существующих конденсаторах.
В токовых конденсаторах обычно используются электроды на основе оксидов металлов, но они ограничены плохой подвижностью электронов.
Поэтому ученые решили построить гибридные полевые транзисторы, состоящие из чередующихся слоев дисульфида молибдена (MoS2) и графена толщиной в несколько атомов — для увеличения подвижности электронов — которые затем соединяются с золотыми контактами. Твердый гелевый электролит используется между двумя полевыми электродами для создания твердотельного суперконденсатора. Вся структура построена на основе диоксида кремния/кремния.
«Дизайн является критически важной частью, поскольку вы интегрируете две системы», — говорят исследователи. «Эти две системы представляют собой два электрода на полевых транзисторах и гелевый электролит, ионную среду, которые имеют разную зарядную емкость».
Было сложно изготовить устройство, чтобы правильно получить все идеальные характеристики транзистора. Поскольку эти суперконденсаторы очень малы, их невозможно увидеть без микроскопа, а процесс изготовления требует высокой точности и зрительно-моторной координации.
После того, как суперконденсатор был изготовлен, исследователи измерили электрохимическую емкость или способность удерживать заряд устройства, применяя различные напряжения.
Они обнаружили, что при определенных условиях емкость увеличивалась на 3000%. Напротив, конденсатор, содержащий только MoS2 без графена, показал увеличение емкости только на 18% при тех же условиях.
В будущем исследователи планируют изучить, может ли замена MoS2 другими материалами еще больше увеличить емкость их суперконденсатора. Ученые добавляют, что их суперконденсатор полностью функционален и может быть использован в устройствах хранения энергии, таких как аккумуляторы для электромобилей или в любой миниатюрной системе путем интеграции на кристалле.