De toegenomen vraag naar superkleine elektronische sensoren vanuit de gezondheidszorg, milieudiensten en het internet der dingen, noopt tot een zoektocht naar even kleine manieren om deze sensoren van stroom te voorzien. Een overzicht van de staat van ultracompacte supercondensatoren, of "micro-supercapacitors", concludeert dat er nog veel onderzoek moet worden gedaan voordat deze apparaten hun belofte kunnen waarmaken.

De recensie verscheen in het tijdschrift Nano Research Energy .

De explosie van de vraag in de afgelopen jaren naar geminiaturiseerde elektronische apparaten, zoals gezondheidsmonitoren, omgevingssensoren en draadloze communicatietechnologieën, heeft op zijn beurt de vraag naar componenten voor die apparaten die steeds kleiner en kleiner worden, met een lager energieverbruik, gestimuleerd. tegen lagere prijzen.

Het meest illustratief voor de behoefte aan dergelijke hoogwaardige maar kleine componenten voor elektronica zijn de opkomende maar substantiële behoeften van het internet der dingen - de inbedding van meerdere microsensoren die signalen kunnen ontvangen, verwerken en verzenden via een reeks toepassingen, van smart- thuistechnologie tot de gezondheidszorg. Dergelijke microsensoren worden meestal in extreem beperkte ruimtes ingezet.

Omdat deze microsensoren - net als hun macro-neven - ergens op energie moeten werken, moeten ze worden gekoppeld aan even kleine "micro-power" -bronnen. Maar de integratie van conventionele apparaten voor energieopslag, zoals batterijen, zelfs zeer kleine, maakt de sensoren veel te zwaar en omvangrijk voor de vereisten van het internet der dingen.

Als gevolg hiervan hebben wetenschappers en ingenieurs de mogelijkheid onderzocht om energiebronnen zoals licht of zelfs mechanische trillingen om te zetten in elektriciteit, maar dit vereist nog steeds een soort energieopslag om de intermitterende en instabiliteit van deze bronnen te compenseren.

Wat kan het werk van een batterij doen, maar hoeft niet zo omvangrijk te zijn als een batterij? Micro-supercondensatoren zijn een optie.

Condensatoren zijn misschien bekend bij elektriciens en elektrotechnici, maar het grote publiek is misschien minder bekend met hoe deze werken dan met batterijen. Een condensator slaat energie op, maar in de vorm van een elektrisch veld in plaats van chemisch zoals bij een batterij. Het kan niet zoveel energie opslaan als een batterij, maar het kan zijn energie veel sneller opladen en weer vrijgeven.

Een supercondensator is een condensator met veel meer energieopslagcapaciteit dan een gewone condensator, waardoor het een tussenstation is tussen condensatoren en batterijen. En een ultracompacte supercondensator, of "micro-supercapacitor" (MSC) is een supercondensator die klein genoeg is om te worden geïntegreerd in micro- of zelfs nano-elektronische systemen.

Het zijn deze MSC's die in het tijdperk van het internet der dingen steeds meer aandacht hebben gekregen, met name om zelfaangedreven en draadloze micro- en nano-elektronische systemen mogelijk te maken. Dit komt door hun uitzonderlijke vermogen, ultralange levensduur van ongeveer 100.000 cycli, beter controleerbare diffusiepaden voor elektronen of ionen (de kleine kinetische "actoren" die al het werk in elektronische systemen doen), instelbare uitvoerprestaties en eenvoudige integratie met superkleine systemen.

"Maar er zijn nog veel uitdagingen om dit alles te laten werken", zegt Zhong-Shuai Wu, co-auteur van het overzichtsartikel en professor bij het State Key Laboratory of Catalysis, aan de Chinese Academie van Wetenschappen. "Dus vonden we het tijd om een ​​recensieartikel samen te stellen, zodat het veld beter kan identificeren wat we goed hebben gedaan en wat er nog moet worden opgelost."

Review-artikelen zijn een belangrijke fase in de ontwikkeling van een jonge discipline, zodat onderzoekers de huidige inzichten kunnen verduidelijken, uitdagingen en onderzoekshiaten kunnen identificeren. Recensies kunnen ook richtlijnen voor beleid en tips voor best practices bieden.

De reviewers concludeerden dat de omvang van de meeste MSC's die in de wetenschappelijke literatuur zijn gerapporteerd, te groot blijven om gemakkelijk in micro-elektronische systemen te worden ingebouwd. Er is beperkte aandacht besteed aan de fabricage van ultrakleine MSC's die kleiner zijn dan tien vierkante millimeter, en aan hypercompacte opsluiting van elektrolyt (een sleutelelement van MSC's) op microschaal.

Een belangrijke uitdaging voor MSC's blijft de noodzaak om de functiegrootte te verkleinen, inclusief de lengte, breedte en de opening tussen aangrenzende micro-elektroden van de micro-elektrode. Dit alles zou de integratie van MSC's in de relevante apparaten verbeteren. Langs deze lijnen hebben veel MSC-onderzoeken zich gericht op uiterst nauwkeurige microfabricagetechnieken zoals fotolithografie, laserschrijftechniek, etsen met gefocusseerde ionenbundels en nieuwe printmethoden.

Andere recente MSC-vooruitgangen zijn onder meer de ontwikkeling van superieure resolutie, afstembare uitgangsspanning, verbeterde capaciteit (het vermogen van de MSC om energie te verzamelen en op te slaan in de vorm van elektrische lading) en afzetting van vormconforme elektrolyten.

Ondanks een aantal indrukwekkende prestaties, vooral op nanometerschaal, blijft de energie- en vermogensdichtheid onbevredigend voor kosteneffectieve prestaties. Daarnaast heeft theoretisch begrip werk nodig. In dit opzicht pleiten de auteurs voor meer interdisciplinaire samenwerking, gezien het aantal velden dat relevant is voor MSC-onderzoek, en zouden ze graag zien dat machine learning wordt geïntroduceerd om te helpen bij het nauwkeurig ontwerpen van MSC's om nauwkeuriger te voldoen aan de uiteenlopende eisen in verschillende slimme toepassingsscenario's. + Verder verkennen

Opkomende geminiaturiseerde energieopslagapparaten voor microsysteemtoepassingen:van ontwerp tot integratie