Der Anstieg von Silizium-On-Chip-Superkondensatoren

Stromversorgung mobiler Roboter mittels Kabeln & Stromschienen (Januar 2019).

Anonim

Der Anstieg von Silizium-On-Chip-Superkondensatoren


Forscher von VTT Finland haben einen porösen Silizium-Superkondensator entwickelt, der dem aktuellen Stand der Technik von Kohlenstoff / Graphen entspricht und möglicherweise Kondensatoren auf dem Chip realisiert.

Da das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zu einem immer größeren Teil unserer alltäglichen Realität geworden ist, hat die Forschung nach physikalischen Geräten mit Netzwerkkonnektivität von tragbarer Elektronik bis hin zu bio-chemischer Sensorik massiv zugenommen.

Zusammen mit der zunehmenden IoT-Technologie kommt die Notwendigkeit, diese Geräte mit einer autonomen Stromquelle zu versorgen. Batteriehersteller haben darum gekämpft, eine Stromquelle herzustellen, die nicht nur im Mikrobereich funktioniert, sondern auch eine hohe Leistungsdichte und Energie aufweist. Mikro-Superkondensatoren scheinen das neue Forschungsaroma des Monats zu sein, wenn es darum geht, diese Anforderungen zu erfüllen.

Elektrobatterien und Kondensatoren machen eine relativ ähnliche Arbeit: Sie speichern Energie. Sie tun dies jedoch auf völlig unterschiedliche Weise. Elektrische Batterien nutzen die chemischen Reaktionen zwischen Materialien wie Lithium und Graphit, um Ionen zur Stromerzeugung zu bewegen. Im Gegensatz dazu werden Superkondensatoren elektrostatische Energie zwischen Elektroden verwenden, um dasselbe zu tun.

Superkondensatoren sind seit Jahrzehnten eine sich entwickelnde Technologie und nähern sich langsam den typischen Werten von Batterien. Gleichzeitig sind sie in der Lage, viel höhere Leistungsdichten zu erreichen als Batterien, während sie im Laufe von Hunderttausenden von Zyklen sehr schnell geladen und entladen werden können.

Vergleich von Energiespeichertechniken. Bild über Wiki Commons.

Mikro-Superkondensatoren wurden seit 2010 nach ihrem Potenzial für die On-Chip-Integration gesucht. Die interessierenden Materialien blieben in dieser Zeit im Allgemeinen die gleichen, wobei die Forschung hauptsächlich auf Kohlenstoff, TiC und Graphen ausgerichtet war.

Jetzt haben Forscher vom VTT Technical Research Centre aus Finnland eine neue Methode zur Herstellung von Superkondensator-Energie in einem Mikroschaltkreis entwickelt, die möglicherweise die unabhängige Stromquelle, nach der Batteriehersteller gesucht haben, realisiert.

Die meisten Superkondensatoren, die wir heute verwenden, verwenden wegen ihrer beträchtlichen Oberfläche und der nachfolgenden Fähigkeit, Ladung zu speichern, Elektroden auf Kohlenstoffbasis. Leider umfasst die Herstellung von Elektroden auf Kohlenstoffbasis typischerweise einen Hochtemperaturprozess, der seine Integration in siliziumbasierte Technologien faltet; speziell solche, die die Mikrofabrikation betreffen. Die Lösung der VTT-Forscher bestand darin, das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von porösem Silizium und seine Kompatibilität mit aktuellen Mikrofabrikationsprozessen zu nutzen.

Das Problem, das früheren Forschern mit porösem Silizium gegenüberstand, war, dass das Material eine geringe chemische Stabilität, eine enge Benetzbarkeit und große Widerstandswerte in seiner Matrix aufwies, was die Leistungsfähigkeiten des Materials einschränkte. Die VTT-Forscher konnten diese Hindernisse überwinden, indem sie die poröse Siliziummatrix mittels Atomlagenabscheidung mit Titannitrid beschichteten.

Eine Reihe von Bildern, die den Anstieg der Benetzbarkeit vor und nach der Zugabe von TiN über ALD zeigen. Bild mit freundlicher Genehmigung des VTT Technical Research Centre von Finnland.

Mit der Anwendung von Titannitrid auf der porösen Siliziummatrix konnten die Forscher eine neue hybride Nano-Elektrode entwickeln. Das Design weist ein hervorragendes leitfähiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auf, was zu einer extrem effizienten Energiespeicherung für einen Superkondensator führt.

Der resultierende Formfaktor war auch sehr klein. Das neue Design war in der Lage, die Energie- und Leistungsdichtewerte weiter zu erhöhen, um mit den derzeitigen hochmodernen Kohlenstoff- und Graphenkondensatoren mithalten zu können. Das Design erreichte eine Energiedichte von (1, 3 mWhcm -3 ), Leistungsdichten von (214 Wcm -3 ) und eine spezifische Kapazität von (15 Fcm -3 ) im Vergleich zu den aktuellen Graphen-On-Chip-Superkondensatoren, die eine Energiedichte von ( 2 mWhcm -3 ) und eine Leistungsdichte von (200 Wcm -3 ).

A Querschnitt des Testkondensators und der Schaltung
B Poröser Siliziumschichtquerschnitt
C Poröse Siliziumschicht vergrößert vor und nach der TiN-Beschichtung
D Darstellung, wie das TiN in Zyklen der Atomlagenabscheidung hinzugefügt wird

Das neue Design ergänzt auch die aktuellen IoT-Technologien sehr gut. Die Forscher waren in der Lage, den Superkondensator auf einem 1-mm-Silizium-Chip zu montieren und gleichzeitig genügend Platz auf dem Chip zu reservieren, um auch zahlreiche Bauelemente und elektronische Komponenten wie Sensoren und Mikroschaltkreise einzubetten.

VTT plant die Fortsetzung seiner Forschung, insbesondere zur Steigerung der Effizienz der Elektroden. Der ursprüngliche Forschungsartikel, veröffentlicht in der Zeitschrift Nano Energy, kann hier gefunden werden.