«Чистый»* суперконденсатор** с ультратонким пленочным изолятором — это теоретически достижимое устройство для накопления, хранения и отдачи электрической энергии с использованием сверхтонкого материала в виде пленки для остановки протекания электрического тока в одном направлении и пропускания его в другом при подаче заряда.
* - «чистый» в кавычках, потому что это неофициальное название (в исследованиях встречается как «Pure Supercapacitor»), которое зависит от контекста:
- например, у «зеленых» стало модно так обозначать применение экологически чистых устойчивых к окружающей среде материалов (углерод, органика);
- в иных случаях это означает предельно высокую чистоту и однородность компонентов суперконденсатора (дольше служат, выше производительность) — так обозначали разработки MIT (Massachusetts Institute of Technology).
** - если вам незнаком сам по себе термин суперконденсатора (ионистора), то рекомендуется ознакомиться с вводной статьей в нашем блоге или хотя бы узнать базовые вещи в wikipedia [источник].
Теоретические тонкоплёночные суперконденсаторы
Представляют собой новый класс ионисторов, которые находятся на стадии разработки и не имеют чётко определённых параметров. Они обещают значительно повысить энергетическую плотность и ёмкость за счёт уменьшения расстояния между зарядами и увеличения площади поверхности электродов.
✅ Преимущества:
- используют тонкие слои диэлектрика между двумя проводящими электродами;
- максимально возможный высокий ток разряда без повреждений и последствий;
- сравнимая с аккумуляторными технологиями энергоемкость;
- быстрая зарядка и разрядка;
- длительный срок службы (десятки тысяч циклов);
- может использоваться вместо литий-ионных батарей в электронике.
⭐ Но ведь суперконденсаторы уже существуют?
Да, существующие ионисторы делятся на два основных класса:
- электрохимические двойные слои (EDLC, высокая удельная ёмкость, но низкая энергетическая плотность, типичные материалы углеродные нанотрубки, графен или активированный уголь);
- псевдоёмкостные (более высокая энергетическую плотность, но меньшая ёмкость, материалы оксиды или гидроксиды металлов, такие как рутений, никель или марганец).
Конденсаторы, суперконденсаторы, ионисторы существуют в множестве разновидностей.
⚡ Имеющиеся суперконденсаторы:
- служат несколько лет, дают высокую мощность;
- но страдают от малой энергоемкости и сверхбыстрого саморазряда (нужно заряжать перед использованием).
⚡ В то время аккумуляторы:
- способны накапливать больше энергии и хранить её дольше во времени;
- но отдают меньше мощности и ещё быстрее изнашиваются (хотя и не все, например, как литий-титанатные, но у них свои минусы).
Учёные стремятся создать идеальный гибрид, хотя это труднодостижимо. Чистый конденсатор (чистый суперконденсатор) является таким гибридом за счёт тонкопленочной технологии с однородными компонентами. К сожалению, на пути к его созданию существуют несколько проблем.
🔻 Проблемы науки в создании чистого конденсатора
Это только идея. Существует много препятствий, связанных с созданием такой вещи. Учёным предстоит провести сотни и сотни исследований, чтобы понять, может ли эта идея работать и насколько она хороша на практике.
1. Основная сложность — поиск подходящих материалов.
Такой конденсатор должен:
- обладать очень высокой плотностью энергии и мощности,
- низким внутренним сопротивлением,
- длительным сроком службы;
- работать при различных температурах, влажности, давлении и других условиях;
- должен быть устойчив к термическому стрессу, коррозии, деградации и саморазряду.
Известные материалы для суперконденсаторов имеют ограничения по этим параметрам. Значит нужны альтернативы, которые обладают высокой удельной поверхностью, хорошей электропроводностью, химической стабильностью и низкой стоимостью. Но найти их или синтезировать трудно.
Взять те же углеродные нанотрубки и графен. Хороший потенциал для создания сверхтонкопленочных суперконденсаторов. К сожалению, в современных условиях их производство сложно масштабировать и контролировать.
Или органические электролиты. С одной стороны, у них высокое напряжение работы, с другой — низкая температурная стабильность и высокую склонность к утечке. Неорганические электролиты лучше по температурной стабильности, а вот низкое напряжение работы и высокое внутреннее сопротивление сводят все преимущества на нет.
2. Производство и лаборатории не готовы к сверхрасходам.
Вторая по значению проблема кроется в самих лабораторных исследованиях и отсутствии промышленности для реализации новых идей. С высокой долей вероятности они убыточны и несостоятельны. Иначе как их проверить?
Создание сверхтонкопленочного чистого суперконденсатора представляет собой большой научный и технологический вызов. Помимо разработки новых материалов, нужны новые методы производства и финансирования подобных проектов.
👍 Насколько близка наука к созданию «чистых» суперконденсаторов как аналога Li-ion-батарей?
Возникновение чистых конденсаторных технологий с системой проводник-диэлектрик на ультратонких пленках обеспечит энергоэффективные микрочипы и высокопроизводительные электростатические конденсаторы. И вот, что наука сейчас преодолевает на этом пути.
1. Синтез ультратонких пленок
Они имеют высокие диэлектрические постоянные, низкие утечки тока и высокие прочности на пробой — основа конденсаторов. Но такие пленки должны быть совместимы с существующими процессами и устройствами микроэлектронной технологии.
Сейчас [источник] строят надежды на:
- титанат бария (BaTiO3),
- нитрид титана (TiN);
- диоксид титана (TiO2);
- перовскиты на основе TiO2.
2. Проектирование и изготовление структур конденсаторов
Наука стремится достичь высокой плотности емкости и низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR)
Наиболее близки к открытиям [источник в виде PDF-файла, 1.7Мб]:
- Использование трехмерных (3D) структур, таких как пористый оксид алюминия (AAO) или кремниевые канавки, которые могут увеличить эффективную площадь поверхности электродов конденсатора.
- Использование встроенных конденсаторов, которые интегрируются в печатные платы (PCB) или подложки, что может уменьшить паразитную индуктивность и улучшить энергетическую целостность.
3. Задачи, где нужно низкое напряжение
Команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и UC Berkeley синтезировала тонкослойную версию BaTiO3 [Источник]. Этот материал относится к классу сегнетоэлектриков, которые обладают свойством изменять свою электрическую поляризацию под действием внешнего электрического поля.
Учёные поместили его между слоями металла рутениата стронция (SrRuO3), который является электродом. В результате получился тонкопленочный конденсатор, который смог работать при низких напряжениях (<100 мВ) при плотности емкости 27 микрофарад на квадратный сантиметр (μF/cm2).
Такой конденсатор может быть использован для создания энергоэффективных микросхем, а также для технологии снижения радиозаметности (актуально для оборонительных задач).
4. TiN и металлические суперконденсаторы
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Ирвайне использовала магнетронное распыление для осаждения тонких пленок TiN на кремниевые подложки [Источник]. Так им удалось создать высокопроводящие электроды с большой площадью поверхности.
Что это даёт? Получилась гораздо более высокая удельная емкость 11,8 миллифарад на квадратный сантиметр (mF/cm2). Энергетическая плотность 17,6 милливатт-час на кубический сантиметр (mWh/cm3) — больше, чем у любых других металлических суперконденсаторов. Фактически рекордное значение.
На эти исследования уже посматривают производители в областях, где требуется быстрое зарядное устройство. Это электромобили, прежде всего, и беспилотные летательные аппараты, медицинские приборы, промышленное беспроводное оборудование, где важно разгрузить аккумуляторы в момент включения, например, электромоторов.
5. Плотные и сверхтонкие пленки на 3D структурах
Суперконденсаторы состоят из двух электродов, разделенных электролитом, и работают на основе образования двойного электрического слоя или фарадеевских процессов на поверхности электродов. Одним из перспективных материалов для электродов суперконденсаторов являются перовскиты — минералы с общей формулой ABX3, где A и B — катионы разного размера, а X — анион (обычно кислород).
Перовскиты обладают рядом преимуществ, таких как высокая проводимость, устойчивость к температурным изменениям и возможность легкого изменения состава и свойств путем замещения ионов.
Исследователи из Корейского института передовых научных и технологических исследований (KAIST) разработали новый метод синтеза суперконденсаторов на основе перовскитов с помощью атомно-слоевого осаждения (ALD) [Источник]. ALD — это технология, которая позволяет создавать тонкие пленки с высокой однородностью и плотностью на трехмерных структурах.
Используя этот метод, ученые получили электростатические конденсаторы с высокой плотностью емкости 1 мкФ/мм2 и низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) менее 0,5 Ом. Для этого они покрыли перовскиты на основе TiO2 на пористых подложках AAO (анодный алюминиевый оксид).
Суперконденсаторы на основе перовскитов актуальны для портативной электроники, солнечных батарей.
***
Технологии «чистых» конденсаторов на сверхтонких пленках — это новый уровень электронных устройств, где электрическую энергию можно будет отдавать очень быстро и хранить долго, эффективно. Их появление поможет созданию микрочипов и батарей, которые могут работать лучше и дольше.
Но пока не найдено материалов, способных обеспечить нужные свойства для конденсаторов. Учёным приходится идти на компромиссы и бесконечно продлевать исследования.
Вы узнали про наиболее многообещающие исследования в этой области с высокими диэлектрическими постоянными и высокой энергоёмкостью, как у аккумуляторов.