Nanokondensatorer med stor energilagring

Den ultimata elektroniska energilagringsenheten skulle lagra mycket energi men också ladda upp snabbt och ge kraftfulla skurar när det behövs. Tyvärr kan dagens enheter bara göra det ena eller det andra: kondensatorer ger hög effekt, medan batterier erbjuder hög lagringskapacitet.

Nanopore kraft: Uppsättningar av kondensatorer byggda inuti nanoporer visas här i en svepelektronmikrobild överlagd med en illustration som visar deras design. Porerna etsas in i ett aluminiumsubstrat (mörkgult). Kondensatorerna bildar två tunna lager av metall (blått) åtskilda av ett lager av isolerande material (ljusgult).

Nu har forskare vid University of Maryland utvecklat en slags kondensator som för samman dessa egenskaper. Forskningen är i ett tidigt skede och enheten kommer att behöva skalas upp för att vara praktisk, men de första resultaten visar att den kan lagra 100 gånger mer energi än tidigare enheter av sitt slag. I slutändan kan sådana enheter lagra överspänningar av energi från förnybara källor, som vind, och mata den energin till elnätet när det behövs. De skulle också kunna driva elbilar som laddas i den tid det tar att fylla en bensintank, istället för de sex till åtta timmar som det tar dem att ladda idag.

Det finns många olika typer av batterier och kondensatorer, men i allmänhet kan batterier lagra stora mängder energi men tenderar att laddas upp långsamt och slits ut snabbt. Kondensatorer har under tiden längre livslängder och kan laddas ur snabbt, men de lagrar mycket mindre total energi. Elektrokemister och ingenjörer har arbetat för att lösa detta energilagringsproblem genom att öka batteriernas kraft och öka kondensatorernas lagringskapacitet.

Sang bok lee , en kemiprofessor, och Gary Rubloff , professor i teknik och chef för Maryland NanoCenter , skapade nanostrukturerade arrayer av elektrostatiska kondensatorer. Elektrostatiska kondensatorer är den enklaste typen av elektronisk energilagringsenhet, säger Rubloff. De lagrar elektrisk laddning på ytan av två metallelektroder åtskilda av ett isolerande material; deras lagringskapacitet är direkt proportionell mot ytan av dessa sandwichliknande elektroder. Maryland-forskarna ökade lagringskapaciteten hos sina kondensatorer genom att använda nanotillverkning för att öka deras totala yta. Deras elektroder fungerar på samma sätt som de som finns i konventionella kondensatorer, men istället för att vara platta är de rörformiga och instoppade djupt inuti nanoporer.

Tillverkningsprocessen börjar med en glasplatta belagd med aluminium. Porer etsas in i plattan genom att behandla den med syra och applicera en spänning. Det är möjligt att göra mycket regelbundna uppsättningar av små men djupa porer, var och en så liten som 50 nanometer i diameter och upp till 30 mikrometer djup, genom att noggrant kontrollera reaktionsförhållandena. Processen liknar den som används för att göra minneschips. Därefter lägger du ett mycket tunt lager av metall, sedan ett tunt lager av isolator, sedan ytterligare ett tunt lager av metall i dessa porer, säger Rubloff. Dessa tre lager fungerar som nanokondensatorernas elektroder och isolerande lager. Ett lager av aluminium sitter ovanpå enheten och fungerar som en elektrisk kontakt; den andra kontakten görs med ett underliggande aluminiumskikt.

Denna fraktalliknande struktur ökar ytan avsevärt, säger Joel schindall , biträdande direktör för MIT Laboratorium för elektromagnetiska och elektroniska system , som inte var involverad i arbetet.

I en tidning publicerad online denna vecka i tidskriften Naturens nanoteknik , beskriver Maryland-gruppen tillverkning av 125 mikrometer breda arrayer, som var och en innehåller en miljon nanokondensatorer. Ytarean för varje array är 250 gånger större än den för en konventionell kondensator av jämförbar storlek. Arrayernas lagringskapacitet är cirka 100 mikrofarad per kvadratcentimeter.

Men ytarean är inte den enda bestämningsfaktorn för energitätheten. Maryland-gruppens nanokondensatorer drar också nytta av det mycket små avståndet mellan deras elektroder, och arbetet är unikt i detta avseende, säger Robert Hebner , direktör för Centrum för elektromekanik vid University of Texas i Austin. Hebner var inte involverad i Maryland-forskningen.

Om elektroderna är långt ifrån varandra stöter liknande laddningar på deras ytor kraftigt bort varandra. När elektroderna placeras närmare varandra balanserar de negativa och positiva laddningarna på båda sidor ut dessa repulsiva krafter, och mer total laddning kan lagras i ett givet område. Den totala tjockleken på varje nanokondensator är bara 25 nanometer, och laddningarna kan packas väldigt nära varandra. Det är imponerande, säger Hebner. Jag hoppas att de kan skala upp det.

Hittills kan nanokondensatoruppsättningarna inte lagra mycket total energi eftersom de är så små. Istället för att göra dessa små prickar vill vi göra ett stort område som innehåller miljarder nanokondensatorer för att lagra stora mängder energi, säger Lee. Både han och Rubloff säger att det inte är trivialt att skala upp till en praktisk nivå, men paret arbetar tillsammans för att göra större arrayer. Det finns många uppskalningsfrågor, säger Rubloff. Vi ska titta på hur stora vi kan göra dessa och fortfarande få dem att fungera.

Även om detta problem är löst måste de fortfarande se till att de effektivt kan ansluta flera arrayer till varandra. Men Hebner säger att detta problem inte är svårlöst, och han pekar på enheter på marknaden, inklusive känsliga magnetiska detektorer, som framgångsrikt övervinner liknande anslutningsproblem.

En fördel med den nya tillverkningsmetoden är att nanopordimensionerna och respektive tjocklek på elektroden och isolatorn kan kontrolleras noggrant. Regelbundenhet och enhetlighet är centrala för att skala upp nanoteknik till något tillverkningsbart och kommersialiserat, säger Rubloff. Det finns fortfarande stora hinder, men vi försöker bestämma hur vi ska kommersialisera detta – det finns definitivt en törst att göra det.

Dölj