VTT Technisch Onderzoekscentrum van Finland ontwikkelde een uiterst efficiënte kleine energieopslag, een micro-supercondensator, die direct in een silicium microschakeling chip kan worden geïntegreerd. De hoge energie- en vermogensdichtheid van de geminiaturiseerde energieopslag is gebaseerd op het nieuwe hybride nanomateriaal dat onlangs bij VTT is ontwikkeld. Deze technologie opent nieuwe mogelijkheden voor geïntegreerde mobiele apparaten en maakt de weg vrij voor autonome apparaten zonder stroom die nodig zijn voor het toekomstige Internet of Things (IoT).

Supercondensatoren lijken op elektrochemische batterijen. Echter, in tegenstelling tot bijvoorbeeld lithium-ionbatterijen voor mobiele telefoons, die chemische reacties gebruiken om energie op te slaan, supercondensatoren slaan voornamelijk elektrostatische energie op die is gebonden aan het grensvlak tussen vloeibare en vaste elektroden. Net als bij batterijen zijn supercondensatoren typisch discrete apparaten met een grote verscheidenheid aan gebruikssituaties, van kleine elektronische gadgets tot de grote energieopslag van elektrische voertuigen.

De energie- en vermogensdichtheid van een supercondensator hangt af van het oppervlak en de geleidbaarheid van de vaste elektroden. De onderzoeksgroep van VTT heeft een hybride nanomateriaalelektrode ontwikkeld, die bestaat uit poreus silicium bedekt met een titaniumnitridelaag van enkele nanometers dik door atomaire laagafzetting (ALD). Deze benadering leidt tot een record groot geleidend oppervlak in een klein volume. Opname van ionische vloeistof in een microkanaal gevormd tussen twee hybride elektroden resulteert in extreem kleine en efficiënte energieopslag.

De nieuwe supercondensator heeft uitstekende prestaties. Voor de eerste keer, op silicium gebaseerde micro-supercondensator concurreert met de toonaangevende op koolstof en grafeen gebaseerde apparaten in vermogen, energie en duurzaamheid.

Micro-supercondensatoren kunnen direct worden geïntegreerd met actieve micro-elektronische apparaten om elektrische energie op te slaan die wordt gegenereerd door verschillende thermische, licht- en trillingsenergie-oogsters en om de elektrische energie te leveren wanneer dat nodig is. Dit is belangrijk voor autonome sensornetwerken, draagbare elektronica en mobiele elektronica van het internet der dingen.

De onderzoeksgroep van VTT drijft de integratie tot het uiterste door de nieuwe nanomateriaal micro-supercondensator energieopslag direct in een siliciumchip te integreren. De gedemonstreerde in-chip supercondensatortechnologie maakt het mogelijk om energie op te slaan van maar liefst 0,2 joule en een indrukwekkende stroomopwekking van 2 watt op een siliciumchip van één vierkante centimeter. Tegelijkertijd blijft het oppervlak van de chip beschikbaar voor actieve geïntegreerde microschakelingen en sensoren.