Een nieuw type ultrakleine supercondensator demonstreert opmerkelijke energieopslagmogelijkheden en een potentiële revolutie in de voeding van apparaten. Onderzoekers hebben een ultrakleine supercondensator ontwikkeld die qua opslagcapaciteit en compactheid alle momenteel commercieel verkrijgbare modellen overtreft. Het ontwerp combineert veldeffecttransistors met lagen molybdeendisulfide en grafeen om de capaciteit onder bepaalde omstandigheden met maar liefst 3.000% te verhogen.
Onderzoekers van de afdeling Instrumentele en Toegepaste Natuurkunde (IAP) van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een nieuw type ultra-micro-supercondensator ontworpen, een klein apparaatje dat grote hoeveelheden elektrische lading kan opslaan. Het is kleiner en compacter dan bestaande supercondensatoren en zou kunnen worden gebruikt in apparaten variërend van straatverlichting tot consumentenelektronica, elektrische voertuigen en medische apparatuur.
Momenteel werken de meeste van deze apparaten op batterijen. Na verloop van tijd verliezen deze batterijen echter hun vermogen om lading op te slaan en hebben daarom een beperkte houdbaarheid. Condensatoren kunnen vanwege hun ontwerp lading gedurende langere tijd opslaan. Een condensator die op 5 volt werkt, zal tien jaar later nog steeds op dezelfde spanning werken. Maar in tegenstelling tot batterijen kunnen supercondensatoren niet continu worden ontladen, bijvoorbeeld om een mobiele telefoon van stroom te voorzien.
Supercondensatoren combineren daarentegen de voordelen van batterijen en condensatoren en kunnen zowel grote hoeveelheden energie opslaan als vrijgeven, waardoor ze populair zijn in elektronische apparaten van de volgende generatie.
In de studie, onlangs gepubliceerd in ACSE Energy Letters, creëerden de onderzoekers hun supercondensator met behulp van veldeffecttransistors (FET's) als ladingscollectoren in plaats van de metalen elektroden die in bestaande condensatoren worden gebruikt. "Het gebruik van veldeffecttransistors als elektroden in supercondensatoren is een nieuwe manier om de lading van de condensator af te stemmen", zegt Abha Misra, professor bij IAP en corresponderend auteur van het onderzoek.
Innovaties in condensatorontwerp
Huidige condensatoren maken doorgaans gebruik van op metaaloxide gebaseerde elektroden, maar deze worden beperkt door een lage elektronenmobiliteit. Daarom besloten Misra en haar team om hybride veldeffecttransistors te maken, gemaakt van afwisselend een paar atomen dikke lagen molybdeendisulfide (MoS2) en grafeen om de elektronenmobiliteit te vergroten, die vervolgens werden verbonden met gouden contacten. Tussen twee FET-elektroden wordt een vaste gel-elektrolyt gebruikt om een vaste-stof-supercondensator te bouwen. De gehele structuur is gebouwd op een silica/siliciumsubstraat.
"Ontwerp is het belangrijkste onderdeel omdat je twee systemen integreert, namelijk twee veldeffecttransistorelektroden en een gelelektrolyt (een ionisch medium), die verschillende laadcapaciteiten hebben", zei Misra. Vinod Panwar, een van de hoofdauteurs van het onderzoek en promovendus bij IAP, voegde eraan toe dat het een uitdaging is om zo'n apparaat te fabriceren om alle wenselijke eigenschappen van een transistor te verkrijgen. Omdat deze supercondensatoren zo klein zijn, kunnen ze zonder microscoop niet worden gezien, en het fabricageproces vereist hoge precisie en hand-oogcoördinatie.
Prestaties en toekomstplannen
Nadat de supercondensator was gemaakt, maten de onderzoekers de elektrochemische capaciteit van het apparaat, oftewel het vermogen om lading vast te houden, door verschillende spanningen aan te leggen. Ze ontdekten dat de capaciteit onder bepaalde omstandigheden met 3.000% toenam. Ter vergelijking: een condensator die alleen MoS2 bevat zonder grafeen verhoogde zijn capaciteit onder dezelfde omstandigheden slechts met 18%.
In de toekomst zijn de onderzoekers van plan te onderzoeken of het vervangen van MoS2 door andere materialen de opslagcapaciteit van supercondensatoren verder kan verbeteren. Ze voegden eraan toe dat hun supercondensator volledig functioneel is en kan worden gebruikt in apparaten voor energieopslag, zoals batterijen voor elektrische voertuigen, of in elk geminiaturiseerd systeem via integratie op de chip. Ze zijn ook van plan de supercondensator te patenteren.