(Phys.org) —Zonnecellen die 24/7 elektriciteit produceren, niet alleen als de zon schijnt. Mobiele telefoons met ingebouwde stroomcellen die binnen enkele seconden opladen en wekenlang werken tussen oplaadbeurten.

Dit zijn slechts twee van de mogelijkheden die worden geboden door een nieuw ontwerp van een supercondensator, uitgevonden door materiaalwetenschappers van de Vanderbilt University en beschreven in een paper gepubliceerd in het nummer van 22 oktober van het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Het is de eerste supercondensator die van silicium is gemaakt, zodat hij in een siliciumchip kan worden ingebouwd, samen met de micro-elektronische circuits die hij aanstuurt. In feite, het moet mogelijk zijn om deze energiecellen te construeren uit het overtollige silicium dat aanwezig is in de huidige generatie zonnecellen, sensoren, mobiele telefoons en een verscheidenheid aan andere elektromechanische apparaten, een aanzienlijke kostenbesparing opleveren.

"Als je experts vraagt ​​naar het maken van een supercondensator van silicium, ze zullen je vertellen dat het een gek idee is, " zei Cary Pint, de assistent-professor werktuigbouwkunde die de ontwikkeling leidde. "Maar we hebben een gemakkelijke manier gevonden om het te doen."

In plaats van energie op te slaan in chemische reacties zoals batterijen doen, "supercaps" slaan elektriciteit op door ionen op het oppervlak van een poreus materiaal te verzamelen. Als resultaat, ze hebben de neiging om in minuten op te laden en te ontladen, in plaats van uren, en werken voor een paar miljoen cycli, in plaats van een paar duizend cycli zoals batterijen.

Deze eigenschappen hebben commerciële supercondensatoren mogelijk gemaakt, die zijn gemaakt van actieve kool, om een ​​paar nichemarkten te veroveren, zoals het opslaan van energie die wordt opgevangen door regeneratieve remsystemen op bussen en elektrische voertuigen en om de stroomstoten te leveren die nodig zijn om de bladen van gigantische windturbines aan te passen aan veranderende windomstandigheden. Supercondensatoren lopen nog steeds achter op de opslagcapaciteit van elektrische energie van lithium-ionbatterijen, dus ze zijn te omvangrijk om de meeste consumentenapparaten van stroom te voorzien. Echter, ze zijn snel aan het inhalen.

Onderzoek om de energiedichtheid van supercondensatoren te verbeteren, heeft zich gericht op op koolstof gebaseerde nanomaterialen zoals grafeen en nanobuisjes. Omdat deze apparaten elektrische lading opslaan op het oppervlak van hun elektroden, de manier om hun energiedichtheid te vergroten is door het oppervlak van de elektroden te vergroten, wat betekent dat oppervlakken worden gevuld met richels en poriën op nanoschaal.

"De grote uitdaging voor deze aanpak is het assembleren van de materialen, "zei Pint. "Het bouwen van hoogwaardige, functionele apparaten uit bouwstenen op nanoschaal met elk niveau van controle is behoorlijk uitdagend gebleken, en wanneer het is bereikt, is het moeilijk te herhalen."

Dus Pint en zijn onderzoeksteam – afgestudeerde studenten Landon Oakes, Andrew Westover en postdoctoraal onderzoeker Shahana Chatterjee – besloten een radicaal andere aanpak te kiezen:met behulp van poreus silicium, een materiaal met een controleerbare en goed gedefinieerde nanostructuur gemaakt door elektrochemisch het oppervlak van een siliciumwafel te etsen.

Hierdoor konden ze oppervlakken creëren met optimale nanostructuren voor supercondensatorelektroden, maar het liet hen met een groot probleem. Silicium wordt over het algemeen als ongeschikt beschouwd voor gebruik in supercondensatoren omdat het gemakkelijk reageert met sommige chemicaliën in de elektrolyten die de ionen leveren die de elektrische lading opslaan.

Met ervaring in het kweken van koolstofnanostructuren, De groep van Pint besloot te proberen het poreuze siliciumoppervlak met koolstof te coaten. "We hadden geen idee wat er zou gebeuren, "zei Pint. "Normaal gesproken, onderzoekers kweken grafeen uit siliciumcarbidematerialen bij temperaturen boven de 1400 graden Celsius. Maar bij lagere temperaturen – 600 tot 700 graden Celsius – hadden we zeker geen grafeenachtige materiaalgroei verwacht."

Toen de onderzoekers het poreuze silicium uit de oven trokken, ze ontdekten dat het van oranje in paars of zwart was veranderd. Toen ze het onder een krachtige scanning-elektronenmicroscoop inspecteerden, ontdekten ze dat het bijna identiek leek aan het originele materiaal, maar het was bedekt met een laag grafeen van enkele nanometers dik.

Toen de onderzoekers het gecoate materiaal testten, ontdekten ze dat het het siliciumoppervlak chemisch had gestabiliseerd. Toen ze het gebruikten om supercondensatoren te maken, ze ontdekten dat de grafeencoating de energiedichtheid met meer dan twee ordes van grootte verbeterde in vergelijking met die gemaakt van ongecoat poreus silicium en aanzienlijk beter dan commerciële supercondensatoren.

De grafeenlaag fungeert als een atomair dunne beschermende coating. Pint en zijn groep stellen dat deze benadering niet beperkt is tot grafeen. "Het vermogen om oppervlakken te ontwerpen met atomair dunne materiaallagen in combinatie met de controle die wordt bereikt bij het ontwerpen van poreuze materialen opent mogelijkheden voor een aantal verschillende toepassingen die verder gaan dan energieopslag, " hij zei.

"Ondanks de uitstekende apparaatprestaties die we hebben bereikt, ons doel was niet om apparaten te maken met recordprestaties, " zei Pint. "Het was om een ​​routekaart te ontwikkelen voor geïntegreerde energieopslag. Silicium is een ideaal materiaal om op te focussen, omdat het de basis vormt van zoveel van onze moderne technologie en toepassingen. In aanvulling, het meeste silicium in bestaande apparaten blijft ongebruikt, omdat het erg duur en verspillend is om dunne siliciumwafels te produceren."

De groep van Pint gebruikt deze aanpak momenteel om energieopslag te ontwikkelen die kan worden gevormd in de overtollige materialen of op de ongebruikte achterkant van zonnecellen en sensoren. De supercondensatoren zouden overtollige elektriciteit opslaan die de cellen 's middags opwekken en deze weer vrijgeven wanneer de vraag 's middags piekt.

"Alle dingen die ons definiëren in een moderne omgeving hebben elektriciteit nodig, "zei Pint. "Hoe meer we energieopslag kunnen integreren in bestaande materialen en apparaten, hoe compacter en efficiënter ze worden."