Первый кремниевый ионистор

30 октября 2013 в 15:00

Всем известны свойства ионисторов — эти электрохимические устройства сочетают свойства конденсаторов и химических батарей. Они способны очень быстро заряжаться/разряжаться и хранить гораздо больше энергии, чем обычные конденсаторы, за счёт уникальной особенности — двойного слоя ионов и противоионов, которые выполняют роль обкладки электролита.

Никто раньше не мог предположить, что возможно создание ионисторов из кремния, без применения химического электролита. Однако, научная статья в журнале Scientific Reports от 22.10.2013 г свидетельствует о том, что учёным из университета Вандербильта удалось это сделать. Они впервые в мире создали кремниевый ионистор методом травления кремниевой подложки и покрытия «вафли» графеном.

Сложно даже описать, какие перспективы это сулит для мобильной электроники, ведь теперь хранить заряд можно непосредственно на микросхеме, без необходимости заряжать химический аккумулятор! Представьте солнечные батареи, которые запасают заряд и выдают электричество круглые сутки. Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер. И это только самые очевидные примеры.

«Если бы вы спросили эксперта, возможно ли создать ионистор из кремния, он сразу вам скажет, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint), доцент с кафедры машиностроения университета Вандербильта, под руководством которого осуществлялись исследования (на фото). — Но нам удалось найти простой способ сделать это».

Уникальные свойства электрохимических ионисторов уже позволили найти им коммерческое применение. Правда, только в некоторых узких нишах. Например, они используются для накопления кинетической энергии от торможения в болидах «Формулы-1» и некоторых коммерческих автомобилях, автобусах и электромобилях. Это системы типа KERS: накопленную энергию они вскоре отдают на колёса, добавляя крутящий момент во время разгона. Ионисторы ставят на турбины больших ветряков, которым нужна подпитка энергией в моменты смены силы и направления ветра.

Ионисторы до сих пор уступают по плотности энергии химическим аккумуляторам типа литий-ионных аккумуляторов, так что они слишком громоздки для большинства мобильных устройств, но быстро ликвидируют отставание.

Нужно заметить, что в последнее время на слуху эксперименты с ионисторами из графена или нанотрубок, так что новая работа инженеров из университета Вандербильта несколько выбивается из общего потока.

Простота их подхода заключается в использовании пористого кремния — материала с контролируемыми свойствами, который можно легко получить травлением «вафли». Инженеры обнаружили, что при покрытии материала слоем графена его свойства как ионистора кардинально улучшаются.

«Мы понятия не имели, что получится [когда начинали эксперименты], — говорит Пинт. — Обычно исследователи выращивают графен из карбида кремния на температурах более 1400°C, так что на меньших температурах 500-600°C мы не ожидали, что вырастет нечто похожее на него».

Когда инженеры вынули кремниевую вафлю из печи, то увидели, что её цвет уже не оранжевый, а фиолетовый, местами чёрный. Исследование под электронным микроскопом показало, что пористый кремний покрыт тонким слоем углерода толщиной несколько нанометров.

Тесты показали, что графеновое покрытие выполняет роль защитного слоя, а при заряде ионистора максимальная плотность энергии выросла в 25 раз.

Авторы исследования говорят, что цель их работы — не создание ионисторов с рекордной плотностью энергии, а их интеграция в обычные микросхемы, которые изготовляются по стандартному техпроцессу. Наиболее логичный вариант — установка ионисторов с обратной стороны солнечных панелей и сенсоров. Всё больше устройств вокруг нас требуют электрической энергии: «Чем лучше мы сможем интегрировать хранение энергии в существующие материалы и устройства, тем более компактными и эффективными они станут», — говорит Пинт.