(Phys.org) —Solceller som producerar elektricitet 24/7, inte bara när solen skiner. Mobiltelefoner med inbyggda kraftceller som laddas på några sekunder och fungerar i veckor mellan laddningarna.

Dessa är bara två av möjligheterna som tas upp av en ny superkondensatordesign som uppfunnits av materialforskare vid Vanderbilt University och som beskrivs i en artikel publicerad i numret av tidskriften den 22 oktober Vetenskapliga rapporter .

Det är den första superkondensatorn som är tillverkad av kisel så att den kan byggas in i ett kiselchip tillsammans med den mikroelektroniska kretsen som den driver. Faktiskt, det borde vara möjligt att konstruera dessa kraftceller av det överskott av kisel som finns i den nuvarande generationen av solceller, sensorer, mobiltelefoner och en mängd andra elektromekaniska enheter, ger avsevärda kostnadsbesparingar.

"Om du frågar experter om att göra en superkondensator av kisel, de kommer att säga att det är en galen idé, "sa Cary Pint, biträdande professorn i maskinteknik som ledde utvecklingen. "Men vi har hittat ett enkelt sätt att göra det."

Istället för att lagra energi i kemiska reaktioner som batterier gör, "supercaps" lagrar elektricitet genom att montera joner på ytan av ett poröst material. Som ett resultat, de tenderar att laddas och laddas ur på några minuter, istället för timmar, och arbeta i några miljoner cykler, istället för några tusen cykler som batterier.

Dessa egenskaper har möjliggjort kommersiella superkondensatorer, som är gjorda av aktivt kol, att fånga några nischmarknader, som att lagra energi som fångas upp av regenerativa bromssystem på bussar och elfordon och att tillhandahålla de kraftutbrott som krävs för att anpassa bladen på gigantiska vindturbiner till förändrade vindförhållanden. Superkondensatorer släpar fortfarande efter förmågan att lagra elektrisk energi hos litiumjonbatterier, så de är för skrymmande för att driva de flesta konsumentenheter. Dock, de har kommit ikapp snabbt.

Forskning för att förbättra energitätheten hos superkondensatorer har fokuserat på kolbaserade nanomaterial som grafen och nanorör. Eftersom dessa enheter lagrar elektrisk laddning på ytan av deras elektroder, sättet att öka deras energitäthet är att öka elektrodernas yta, vilket innebär att göra ytor fyllda med nanoskala åsar och porer.

"Den stora utmaningen för detta tillvägagångssätt är att montera materialen, "sa Pint." Konstruerar högpresterande, funktionella enheter av nanoskala byggstenar med alla nivåer av kontroll har visat sig vara ganska utmanande, och när det är uppnått är det svårt att upprepa."

Så Pint och hans forskarteam – doktorander Landon Oakes, Andrew Westover och postdoktor Shahana Chatterjee – bestämde sig för att ta ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt:att använda poröst kisel, ett material med en kontrollerbar och väldefinierad nanostruktur gjord genom att elektrokemiskt etsa ytan på en kiselskiva.

Detta gjorde det möjligt för dem att skapa ytor med optimala nanostrukturer för superkondensatorelektroder, men det lämnade dem med ett stort problem. Kisel anses allmänt vara olämpligt för användning i superkondensatorer eftersom det reagerar lätt med några av kemikalierna i elektrolyterna som tillhandahåller jonerna som lagrar den elektriska laddningen.

Med erfarenhet av att odla kolnanostrukturer, Pints ​​grupp bestämde sig för att försöka belägga den porösa kiselytan med kol. "Vi hade ingen aning om vad som skulle hända, "sa Pint." Normalt sett forskare odlar grafen från kiselkarbidmaterial vid temperaturer över 1400 grader Celsius. Men vid lägre temperaturer – 600 till 700 grader Celsius – förväntade vi oss verkligen inte grafenliknande materialtillväxt."

När forskarna drog ut det porösa kislet ur ugnen, de fann att det hade blivit från orange till lila eller svart. När de inspekterade det under ett kraftfullt svepelektronmikroskop fann de att det såg nästan identiskt ut med det ursprungliga materialet men det var belagt med ett lager grafen några nanometer tjockt.

När forskarna testade det belagda materialet fann de att det kemiskt hade stabiliserat kiselytan. När de använde den för att tillverka superkondensatorer, de fann att grafenbeläggningen förbättrade energitätheten med över två storleksordningar jämfört med dem tillverkade av obestruket poröst kisel och betydligt bättre än kommersiella superkondensatorer.

Grafenskiktet fungerar som en atomärt tunn skyddande beläggning. Pint och hans grupp hävdar att detta tillvägagångssätt inte är begränsat till grafen. "Förmågan att konstruera ytor med atomärt tunna lager av material i kombination med den kontroll som uppnås vid design av porösa material öppnar möjligheter för ett antal olika tillämpningar utöver energilagring, " han sa.

"Trots den utmärkta enhetsprestanda vi uppnådde, vårt mål var inte att skapa enheter med rekordprestanda, "sa Pint." Det var att utveckla en färdplan för integrerad energilagring. Kisel är ett idealiskt material att fokusera på eftersom det är grunden för så mycket av vår moderna teknik och applikationer. Dessutom, det mesta av kislet i befintliga enheter förblir oanvänt eftersom det är mycket dyrt och slösaktigt att producera tunna kiselskivor."

Pints ​​grupp använder för närvarande detta tillvägagångssätt för att utveckla energilagring som kan bildas i överskottsmaterial eller på oanvända baksidor av solceller och sensorer. Superkondensatorerna skulle lagra överskottet av den elektricitet som cellerna genererar vid middagstid och släppa ut den när efterfrågan toppar på eftermiddagen.

"Allt som definierar oss i en modern miljö kräver elektricitet, " sa Pint. "Ju mer vi kan integrera energilagring i befintliga material och enheter, desto mer kompakta och effektiva blir de."