Naukowcy z Indyjskiego Instytutu Nauki (IISc) zaprojektowali nowatorski ultramikro superkondensator — maleńkie urządzenie zdolne do magazynowania ogromnej ilości ładunku elektrycznego.

W dobie Internetu rzeczy (IoT), sztucznej inteligencji (AI) i modeli opartych na uczeniu maszynowym (ML), urządzenia przetwarzania brzegowego odgrywają kluczową rolę. Są to urządzenia sprzętowe, które wykonują przetwarzanie i analizę danych na brzegu sieci, bliżej źródła danych. W związku z tym wymagałyby również ciągłego dostarczania energii do ich zasilania.

Urządzenia do przetwarzania brzegowego mogą być tak proste, jak czujnik, brama lub mały serwer. Można je wdrażać w odległych i trudnych środowiskach, w których przetwarzanie w chmurze nie jest wykonalne lub pożądane. Służą do przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnego przetwarzania w chmurze, w którym dane są przesyłane do scentralizowanego centrum danych w celu przetwarzania i analizy.

Wyobraź sobie urządzenie brzegowe wdrożone na ruchliwym skrzyżowaniu lub w odległym lesie w celu gromadzenia danych. Muszą działać zużywając energię przez długi czas bez możliwości częstego ładowania.

Superkondensator to urządzenie do magazynowania energii z unikalnym mechanizmem magazynowania energii w postaci energii elektrochemicznej, podobnej do baterii o dużej gęstości mocy, szybkim ładowaniu/rozładowaniu i długiej żywotności cyklicznej.

Prof. Abha Misra i jej koledzy z IISc opracowali znacznie mniejsze, inteligentniejsze, wydajniejsze i bardziej kompaktowe superkondensatory, które mogą być potencjalnie wykorzystywane w wielu urządzeniach, od latarni ulicznych po elektronikę użytkową, samochody elektryczne i urządzenia medyczne. Badanie zostało opublikowane w Listy energetyczne ACS w lutym tego roku.

Trzymanie ładunku przez długi czas

Superkondensatory znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak elektronika użytkowa, czujniki, systemy stabilizacji napięcia i akumulatory inwerterowe. Struktura superkondensatora składa się z dwóch elektrod zbudowanych z porowatych materiałów, które są aktywne elektrochemicznie i mają większą powierzchnię. Elektrody te są oddzielone membraną, która umożliwia przepływ jonów. Superkondensator przechowuje ładunek poprzez akumulację dodatnich i ujemnych ładunków jonowych na dwóch elektrodach. Membrana przepuszczająca jony działa jak warstwa barierowa, która zapobiega połączeniu tych ładunków.

Zazwyczaj większość elektroniki i niektóre urządzenia do przetwarzania brzegowego są zasilane bateriami. Jednak z czasem tracą ładunek i mają ograniczoną żywotność. Z drugiej strony superkondensatory mogą przechowywać ładunek elektryczny przez dłuższy czas, być może nawet do dekady. Superkondensatory można traktować jako hybrydę baterii i kondensatora.

Naukowcy z IISc opracowali nowy typ ultramałego urządzenia do magazynowania energii, wykorzystując dwuwymiarowe (2D) dwusiarczek molibdenu (MoS2) i elektrody na bazie grafenu. Wykorzystali tranzystory polowe (FET) jako kolektory ładunku zamiast metalowych elektrod, które są zwykle stosowane w kondensatorach.

Abha Misra zauważa, że ​​obecne kondensatory wykorzystują elektrody na bazie tlenków metali i są ograniczone przez słabą ruchliwość elektronów. Dlatego zbadali budowanie hybrydowych tranzystorów FET poprzez naprzemienne nakładanie warstw dwusiarczanu molibdenu i grafenu o grubości kilku atomów w celu zwiększenia ruchliwości elektronów. Następnie użyli stałego elektrolitu żelowego między dwiema elektrodami FET, aby zbudować półprzewodnikowy superkondensator, który jest zbudowany na bazie krzemu.

Naukowcy twierdzą, że skoro nowy superkondensator jest tak bardzo mały, że nie widać go nawet pod mikroskopem. I musi być wykonany z bardzo dużą precyzją. Po wyprodukowaniu przetestowali go w określonych warunkach. Stwierdzono, że pojemność wzrasta o 3000%, czyli znacznie więcej niż kondensator MoS2 bez grafenu w podobnych warunkach.

„Projekt jest częścią krytyczną, ponieważ integrujesz dwa systemy”, mówi Misra w wydaniu udostępnionym przez IISc. Te dwa systemy to dwie elektrody FET i elektrolit w żelu. Mają one różne pojemności ładowania, co utrudnia integrację.

Badanie pokazuje, że ta technologia ma ogromny potencjał w zakresie przechowywania ultrawysokich ładunków. W kolejnym kroku naukowcy planują zastąpienie MoS2 innymi materiałami. Zbadają również zmiany pojemności superkondensatorów.

Wraz z rosnącą liczbą zastosowań urządzeń do przetwarzania brzegowego, tak wydajne urządzenie do magazynowania energii tylko poprawia sytuację. Biorąc pod uwagę ich rozmiary, naukowcy zauważają, że mogą one zostać zintegrowane z dowolnym zminiaturyzowanym systemem poprzez integrację na chipie.

Warto zauważyć, że jest to pierwszy tego rodzaju ultramikroelektrochemiczny kondensator na chipie, który ma również najmniejszą elektrodę niż inne zgłoszone w badaniach. Dzięki pojemności o bardzo wysokiej wydajności w porównaniu do swoich rozmiarów, obiecuje to otwarcie nowej generacji ultramałych urządzeń do przechowywania ładunków.