Исследователи из известного Технического Научно – исследовательского центра VTT, (Финляндия) разработали абсолютно новый метод создания сверхкомпактных источников питания, основанных на микроскопических суперконденсаторах. Возможность интеграции таких накопителей энергии непосредственно в структуру кремниевых чипов открывает новые перспективы для развития сетей автономных датчиков, носимой электроники и мобильных устройств Интернета вещей (IoT). Важно отметить, что суперконденсаторы отличаются от традиционных аккумуляторных батарей способом хранения энергии. Вместо химической реакции, они накапливают энергию в виде электростатического заряда, что позволяет достичь высокой емкости. Ключевым компонентом новых суперконденсаторов является гибридный наноэлетрод, толщиной всего несколько нанометров.
Они изготовлен из обычного кремния, покрытого слоем нитрида титана, сформированного методом атомарного осаждения.
Конструктивные особенности этого наноэлектрода определяют высочайшее значение его эффективной площади по отношению к занимаемому объему. Микроканалы, сформированные в промежутках между электродами, заполняются проводящей ионной жидкостью, что превращает структуру в высокоэффективное устройство накопления энергии. Все вышеперечисленные особенности позволяют микроконденсатору получить более высокий показатель плотности хранения энергии, более высокой скорости накопления и отдачи электрического заряда, чем аналогичные параметры суперконденсаторов, изготовленных на базе углеродных нанотрубок и графена.
Каждый крошечный суперконденсатор способен накопить 0.22 Джоуля (55 микроватт*часов), а энергии, накапливаемой матрицей суперконденсаторов, площадью 1 квадратный сантиметр, достаточно для снабжения энергией весьма активно потребляющих интегральных схем и датчиков. Такие микросуперконденсаторы могут быть размещены на кристаллах чипов рядом с устройствами преобразования в электричество тепловой энергии, энергии солнечного света и энергии механических колебаний.
Подобный симбиоз позволит электронным устройствам черпать энергию отовсюду, откуда это возможно, включая и энергию радиоволн, излучаемых теле-, радиопередатчиками и другими устройствами беспроводных коммуникаций.
Дополнительно
Также стало известно, что германские учёные-химики разработали сверхмалый суперконденсатор, способный отдавать электроэнергию напряжением не менее, чем у «пальчиковой» батарейки (АА-элемент) — до 1.6 вольт с силой тока около 100 наноампер. Объём устройства всего 0.001 м3, что в 3000 меньше, чем у традиционных электрохимических конденсаторов.
Микроскопический суперконденсатор (nBSC) скорее всего станет востребованным в качестве источника энергоснабжения медицинских микродатчиков, находящихся в кровеносных сосудах. nBSC использует технологию электролитической подзарядки. С учётом того, что кровь человека — природный электролит, вопрос снабжения электроэнергией долгосрочных малоразмерных диагностических приборов и имплантов, скорее всего, удалось решить. Это даст возможность проводить более точные медицинские исследования и выборки, в том числе, онкологические.
Устройство и параметры микроскопического суперконденсатора. Фото: Nature Communications
На основе новинки уже проведены испытания датчика измерения кислотности крови: микросуперконденсаторы смогли на протяжении нескольких часов успешно накапливать и отдавать заряд диагностическому сенсору, пройдя свыше тысячи циклов «заряда-разряда».
Наноионистор имеет полую трубчатую конструкцию. Это значит, что любой электролит — кровь, плазма или физраствор — проходя через устройство может его свободно заряжать, создавая устойчивый поток электронов в обкладках. Изначально nBSC — плоская пластина из нескольких слоёв золота, выступающих в роли электродов, мембраны и полимерной оболочки. Полая трубка получается вследствие воздействия на пластину специальной технологии металлического напряжения.
