Rice University-onderzoekers hebben een solid-state, op nanobuisjes gebaseerde supercondensator die belooft de beste kwaliteiten van energierijke batterijen en snellaadcondensatoren te combineren in een apparaat dat geschikt is voor extreme omgevingen.

Een paper uit het Rice lab van scheikundige Robert Hauge, te publiceren in het tijdschrift Koolstof , meldde de oprichting van robuuste, veelzijdige energieopslag die diep kan worden geïntegreerd in de fabricage van apparaten. Mogelijke toepassingen strekken zich uit over on-chip nanocircuits tot hele energiecentrales.

Standaardcondensatoren die de stroom regelen of snelle stroomstoten leveren, kunnen honderdduizenden keren worden ontladen en opgeladen. Elektrische dubbellaags condensatoren (EDLC's), algemeen bekend als supercondensatoren, zijn hybriden die honderden keren meer energie bevatten dan een standaardcondensator, als een batterij, met behoud van hun snelle laad-/ontlaadmogelijkheden.

Maar traditionele EDLC's zijn afhankelijk van vloeibare of gelachtige elektrolyten die kunnen afbreken in zeer warme of koude omstandigheden. In de supercondensator van Rice, een vaste stof, nanoschaal laag oxide diëlektrisch materiaal vervangt elektrolyten volledig.

De onderzoekers maakten ook gebruik van de schaal. De sleutel tot hoge capaciteit is om elektronen meer oppervlakte te geven om te bewonen, en niets op aarde heeft meer potentie om veel oppervlakte in een kleine ruimte te verpakken dan koolstofnanobuisjes.

Wanneer gegroeid, nanobuisjes assembleren zichzelf tot dichte, uitgelijnde structuren die lijken op microscopisch kleine shag-tapijten. Zelfs nadat ze zijn veranderd in op zichzelf staande supercondensatoren, elke bundel nanobuisjes is 500 keer langer dan breed. Een kleine chip kan honderdduizenden bundels bevatten.

Voor het nieuwe apparaat het Rice-team groeide een reeks van 15-20 nanometerbundels van enkelwandige koolstofnanobuisjes tot 50 micron lang. Hauge, een voorname faculteitsgenoot in de chemie, leidde de inspanning met voormalige Rice-afgestudeerde studenten Cary Pint, eerste auteur van het artikel en nu onderzoeker bij Intel, en Nolan Nicolaas, nu onderzoeker bij Matric.

De array werd vervolgens overgebracht naar een koperen elektrode met dunne lagen goud en titanium om de hechting en elektrische stabiliteit te bevorderen. De nanobuisbundels (de primaire elektroden) werden gedoteerd met zwavelzuur om hun geleidende eigenschappen te verbeteren; vervolgens werden ze bedekt met dunne lagen aluminiumoxide (de diëlektrische laag) en met aluminium gedoteerd zinkoxide (de tegenelektrode) via een proces dat atoomlaagafzetting (ALD) wordt genoemd. Een bovenste elektrode van zilververf maakte het circuit compleet.

"Eigenlijk, je krijgt deze metaal/isolator/metalen structuur, "zei Pint. "Niemand heeft dit ooit gedaan met materiaal met zo'n hoge beeldverhouding en met een proces als ALD."

Hauge zei dat de nieuwe supercondensator stabiel en schaalbaar is. "Alle solid-state-oplossingen voor energieopslag zullen nauw worden geïntegreerd in veel toekomstige apparaten, inclusief flexibele displays, bio-implantaten, vele soorten sensoren en alle elektronische toepassingen die profiteren van snelle laad- en ontlaadsnelheden, " hij zei.

Pint zei dat de supercondensator een lading vasthoudt onder hoogfrequente cycli en van nature in materialen kan worden geïntegreerd. Hij stelde zich een elektrische carrosserie voor die een batterij is, of een microrobot met een onboard, niet-toxische voeding die voor therapeutische doeleinden in de bloedbaan van een patiënt kan worden geïnjecteerd.

Pint zei dat het ideaal zou zijn voor gebruik onder het soort extreme omstandigheden dat wordt ervaren door zonnecellen in de woestijn of in satellieten, waarbij gewicht ook een kritische factor is. "De uitdaging voor de toekomst van energiesystemen is om dingen efficiënter te integreren. Deze solid-state architectuur is toonaangevend, " hij zei.