Редактор «Гиктаймс»
752,5
рейтинг
28 октября 2013 в 13:09

Первый кремниевый ионистор

Всем известны свойства ионисторов — эти электрохимические устройства сочетают свойства конденсаторов и химических батарей. Они способны очень быстро заряжаться/разряжаться и хранить гораздо больше энергии, чем обычные конденсаторы, за счёт уникальной особенности — двойного слоя ионов и противоионов, которые выполняют роль обкладки электролита.

Никто раньше не мог предположить, что возможно создание ионисторов из кремния, без применения химического электролита. Однако, научная статья в журнале Scientific Reports от 22.10.2013 г свидетельствует о том, что учёным из университета Вандербильта удалось это сделать. Они впервые в мире создали кремниевый ионистор методом травления кремниевой подложки и покрытия «вафли» графеном.

Сложно даже описать, какие перспективы это сулит для мобильной электроники, ведь теперь хранить заряд можно непосредственно на микросхеме, без необходимости заряжать химический аккумулятор! Представьте солнечные батареи, которые запасают заряд и выдают электричество круглые сутки. Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер. И это только самые очевидные примеры.

«Если бы вы спросили эксперта, возможно ли создать ионистор из кремния, он сразу вам скажет, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint), доцент с кафедры машиностроения университета Вандербильта, под руководством которого осуществлялись исследования (на фото). — Но нам удалось найти простой способ сделать это».

Уникальные свойства электрохимических ионисторов уже позволили найти им коммерческое применение. Правда, только в некоторых узких нишах. Например, они используются для накопления кинетической энергии от торможения в болидах «Формулы-1» и некоторых коммерческих автомобилях, автобусах и электромобилях. Это системы типа KERS: накопленную энергию они вскоре отдают на колёса, добавляя крутящий момент во время разгона. Ионисторы ставят на турбины больших ветряков, которым нужна подпитка энергией в моменты смены силы и направления ветра.

Ионисторы до сих пор уступают по плотности энергии химическим аккумуляторам типа литий-ионных аккумуляторов, так что они слишком громоздки для большинства мобильных устройств, но быстро ликвидируют отставание.


На диаграмме показаны плотность энергии (ватт-час на кг) и удельная мощность (ватт на кг) ионисторов из пористого кремния (P-Si), углеродных коммерческих ионисторов и ионисторов из пористого кремния с графеновым покрытием

Нужно заметить, что в последнее время на слуху эксперименты с ионисторами из графена или нанотрубок, так что новая работа инженеров из университета Вандербильта несколько выбивается из общего потока.

Простота их подхода заключается в использовании пористого кремния — материала с контролируемыми свойствами, который можно легко получить травлением «вафли». Инженеры обнаружили, что при покрытии материала слоем графена его свойства как ионистора кардинально улучшаются.

«Мы понятия не имели, что получится [когда начинали эксперименты], — говорит Пинт. — Обычно исследователи выращивают графен из карбида кремния на температурах более 1400°C, так что на меньших температурах 500-600°C мы не ожидали, что вырастет нечто похожее на него».

Когда инженеры вынули кремниевую вафлю из печи, то увидели, что её цвет уже не оранжевый, а фиолетовый, местами чёрный. Исследование под электронным микроскопом показало, что пористый кремний покрыт тонким слоем углерода толщиной несколько нанометров.


Структура пористого кремния без покрытия графеном (слева) и с покрытием (справа)

Тесты показали, что графеновое покрытие выполняет роль защитного слоя, а при заряде ионистора максимальная плотность энергии выросла в 25 раз.

Авторы исследования говорят, что цель их работы — не создание ионисторов с рекордной плотностью энергии, а их интеграция в обычные микросхемы, которые изготовляются по стандартному техпроцессу. Наиболее логичный вариант — установка ионисторов с обратной стороны солнечных панелей и сенсоров. Всё больше устройств вокруг нас требуют электрической энергии: «Чем лучше мы сможем интегрировать хранение энергии в существующие материалы и устройства, тем более компактными и эффективными они станут», — говорит Пинт.
Анатолий Ализар @alizar
карма
681,6
рейтинг 752,5
Редактор «Гиктаймс»
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (47)

  • +37
    «пористый силикон покрыт тонким слоем углерода» — это вроде всего один «силикон» проскочил — неплохой результат для перевода ;)
  • +19
    Еще одна из сотен революций :(
    • +2
      Не нужно сарказма. Появляется продукт на рынке не сразу, но разработки важные и нужные.
      • +6
        Это все понятно, до реального хотя бы прототипа должно пройти много времени.
        Просто заголовки со словом «революция» все уже видят много лет, а на рынке особых изменений нет.
        Иногда, когда грустно, достаю подшивку старой ламповой компьютерры за девяностые-нулевые и включаю воображение, что бы сейчас было, если бы все те «революции» сейчас уже случились бы.
        • +6
          Кстати, идея для статьи: собрать все «революционные» открытия/исследования, которые были сделаны 10-15 лет назад и посмотреть в какой они на данный момент стадии. Внедрены ли, пользуются ли популярностью, делают ли то что обещано.
          • +5
            Я иногда открываю журналы «Наука и жизнь» за восьмидесятые годы, что собирал отец — там всё то же самое. Куча интересных открытий и революций, но реализации почти ничего из этого, увы, не наступило. Конечно, мнение субъективное, подробно этот вопрос я не изучал и статистику не собирал.
            • 0
              а я вот помню читал книжку в начальной школе, кажется эту. она по крайней мере 1982 года. там о цветных экранах чуть ли не мечтали и фантазировали о гнущихся.
          • +1
            Простите но я проголосую комментарием. Идея очень хорошая.
    • –1
      а вы что хотите, чтобы в момент публикации статьи подобные микросхемки уже были в ближайшем радиомаге? пока что это фантастика)
      • 0
        Я хочу чтобы о революции говорили когда как раз таки будет заявлено хотя бы о РЕАЛЬНОМ прототипе )
        Можете поискать сколько новостей о революции в этой области, но банально о том, как безопасно накачать за 10 секунд СТОЛЬКО энергии в аккамулятор, ни слова. А то получается что подобные прорывы происходят уже давно, а на рынке ничего нет.
        Ладно, возьмем не мобильный телефон, а что то попроще: аккамуляторы для моделистов. Проблем с толщиной проводов нет, если за 10 минут аккамулятор разряжается, по тем же проводам его можно за это время и зарядить (упрощенно), но прорывов все равно нет.
        • 0
          Желтизна заголовка не имеет никакого отношения к заголовку статьи: «Surface engineered porous silicon for stable, high performance electrochemical supercapacitors»
  • +23
    Узнал автора по заголовку. Но в целом здорово, спасибо.
    • +11
      Зашел поставить плюс этому комментарию.
  • +7
    Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер.

    Чтобы емкостному элементу отдать 2Ач (примерная емкость батарей в телефонах), надо взять 2 Ач. Т.е. при токе 2 А заряжать 1час. А чтобы зарядить за несколько секунд (допустим 10), нужно зарядник на 720А… сомнительная выгода.
    Другое дело, если уменьшатся габариты или останутся прежними при намного бОльшей емкости.
    • +12
      Полностью согласен по сути, но есть возражения к форме. Можно заряжать большим напряжением (если ячейки встанут последовательно, а не параллельно), что для современной электроники не проблема.
      Но тогда всё равно 2 A * 3600 с * 3,7 В = 26640 Дж. Чтобы зарядить за 10 секунд нужно подвести мощность в 2,5 киловата (как электрочайник или большая конфорка). Хотя если 1 киловольт это всего 2,5 ампера…
      Ну и не дай бог 5 % потерь и телефон греется как 125 ваттная лампочка.

      То есть не будем мы заряжать телефоны по 10 секунд, не будем. Законы физики, чтоб их.
      Но если они сделаю часы для микроволновки, которые не сбрасываются, то это будет гигансткий прорыв :)
      • +7
        Да фиг с ними — десятью секундами, емкость бы побольше сделать. Я лучше буду заряжать ночь и пользоваться неделю.
      • 0
        Но если они сделают часы для микроволновки, которые не сбрасываются, то это будет гигансткий прорыв :)

        Для этого достаточно одной литиевой батарейки cr2032 на несколько лет, чтобы в промежутках между пропаданием электричества часы не сбрасывались, но производители микроволновок ленятся сделать такую простую и очевидную вещь, производя по 10 новых моделей в год с новым дизайном и новыми свистелками.
        • 0
          достаточно существующих ионисторов — до суток вполне
        • 0
          Да понятно, что можно сделать и стоит копейки. Но не делают же :(
          Может производители микроконтроллеров или RTC микросхем добавят к себе внутрь ионистор и тогда заработает.
      • 0
        Да хоть 5 килоВатт, лишь бы телефон зарядился за 10 секунд.
        • 0
          Класс! И в квартирах появится спец-розетка, а на нее отдельный «автомат», как на электрические плиты.
          • 0
            С чего вдруг? Во-первых, нагрузка будет весьма кратковременная. Во-вторых, люди в квартире одновременно включают и чайник, и стиралку, и пылесос до кучи. И ничего с сетью не происходит.

            Далее, окай, 10 секунд — утопичное время. Но зарядить телефон за минуту-две на 70-80% уже вполне сегодня реальность. В инструментах бош малая батарея вмещает в себя 50-60Втч, заряжается до 80% 15 минут. Сколько там в телефонных батареях Ватт часов? 5-6? Вот и в чём проблема зарядить телефон за минуту уже сегодня?

            Проблема, конечно, в перегреве и сроке годности аккума. А не в том, что в квартиру надо отдельную фазу вести.
            • +1
              Ответьте на вопрос: почему для электроплиты ведут отдельную линию?
              Я в общем то соглашусь, что при кратковременной зарядке «бытовая» линия не поломается, но что, если там будут заряжаться несколько устройств последовательно или зарядник окажется бракованным и не отключится через 10 сек. Вот на этот всякий пожарный и нужно вести правильную линию (т.е. проводами нужного сечения и защищать ее подходящим автоматом).
              Иначе говоря, это для перестраховки.
              • 0
                Ну вы не сравнивайте электроплиты с зарядками телефонов. Это совсем разные порядки цифр. Во-первых, плита с духовкой может жрать аж до 15 килоВатт. Во-вторых, в многоквартирных домах люди обычно готовят в одно и тоже время — ужин после работы. В-третьих, плита может работать часами. И вот представте, у вас целый час сотня квартир жрёт по 5-10 килоВатт. Да с такими порядками за час можно все телефоны на свете зарядить и яишницу заодно пожарить. Утрирую конечно.

                Посмотрите лучше на пример высокоскоростного интернета. У нас в Латвии уже несколько лет как все провайдеры тянут в квартиры гигабитные оптические линки. И перегрузки на шаренных каналах полностью исчезли — DVD Rip качается менее минуты. Даже если сотня квартир после работы качает киношку на вечер, то это 100 минут загрузки. Кто-то после работы сначала покушал, кто-то в туалет сходил, кто-то задержался на работе немного и всё, перегрузок не бывает в принципе, даже если реальный канал на дом ровно гигабит.

                Ну и если опуститься таки на землю и довести скорость зарядки не до 10 секунд, а до двух минут (что очень круто), то ни о каких 5 килоВатт речи и близко нет. Никто вообще не заметит существование таких зарядок. Никто. Всё упирается исключительно в технологии аккумуляторов.
                • +1
                  Само собой, все это верно. Я вот что хотел сказать, обратимся к цифрам: медь сечением 2.5мм2, которая обычно и используется для основной разводки держит, грубо говоря, 20-25А. Если зарядка будет кушать 5кВт за 10 секунд, то нагрузка на линию будет приблизительно 22А. Т.е. все ок, не горим. Но, как видно, такая зарядка утилизирует всю линию, т.е. на ней не должно быть других потребителей — получается отдельная линия для зарядки телефонов. Разве что с «обычным» проводом, и автоматом на 16. Если же мы хотим, чтобы от той же линии работал пылесос, телевизор, компьютер и еще черт с рогами, то ее надо «расширять». Т.е. все равно зарядка телефона требует перемен в проводке.
                  А если растянуть процесс и мощность зарядки подсократить, то, да, все может быть хорошо и без перемен.
    • +1
      Если это позволит заряжать быстро (за минуты) электромобили, то на заправку(зарядку) для них смогут подвести 20-ти сантиметровые медные провода. Но подогреваться будет нормально автомобиль при такой зарядке (Джоуль с Ленцом позаботятся об этом).

      Пугает, что он может разрядиться за секунду. Я бы побаивался носить такой телефон в кармане без очень толстого чехла из диэлектрика. Да и ребёнку такое давать в руки было бы страшно — разберёт, любопытства ради, и пшик… Страшно.
      • 0
        А телефон с Li-on, которые взрываются и загораются от повреждения не пугает носить?
        Ток-то просто ограничить можно.
      • 0
        Разряжаться он будет чуть быстрее чем заряжаться. Ровно потому что те самые 20 сантиметровые медные провода внутри ионистора или работают или плавятся. Вот сколько они выдадут, столько и он выдаст.

        Ну а вообще проблема более высокого уровня. Вот вы хотите таскать с собой 100 легко доступных килоджоулей и не хотите их таскать. Вся запасённая энергия может высвободиться в любой момент. Взрывчатка бабахает, бензин (газ, уголь, мука) могут загореться или взорваться, ядерный реактор тоже может… Литиевые аккумуляторы взрываются. IMHO свинцовые не взрываются, потому что энергии в них мало.
        Так что не переживайте, страшнее чем сейчас не будет

  • +6
    Разряд батареи с ёмкостью в 100Вт*ч (у меня в ноутбуке такая, Li-Ion), сделанной из ионисторов: если разряд за 0.1с — 3.6 мегаватта выделяемой мощности. 360кдж тепловой и световой энергии.

    1 грамм тринитротолуола выделяет 1000 термохимических калорий, или 4184 джоулей; (вики)

    Итого, 86 г тротилла. Чуть-чуть до шашки не дотянуло.
    • 0
      Вот он и источник энергии для рейлгана :)
  • 0
    Авторы исследования говорят, что цель их работы — не создание ионисторов с рекордной плотностью энергии, а их интеграция в обычные микросхемы
    Имхо, эта фраза и сводит на нет «революцию». Понятно, что если бы смогли в разы повысить плотность энергии — этим бы и занимались.
    Встроить «аккумулятор» в солнечную батарею конечно прикольно, только вот нужно ли? Что мешает между батареей и нагрузкой поставить тот же аккумулятор?..
    • 0
      Ничто не мешает. Только ионистор — это не аккумулятор. Сотни тысяч циклов заряда/разряда до хоть сколь-нибудь заметной деградации — для аккумуляторов недостижимая мечта. Тоесть получаем высокую долговечность. Плюс конструкция с интегрированным ионистором будет проще в обслуживании и надежнее. Ну и цена скорее всего будет ниже.
      • 0
        Там же кавычки.
        • 0
          И что? Акцент-то на то что никакой принципиальной разницы между акумулятором и ионистором для солнечных батарей.
          • 0
            Аккумулятор — устройство накопления, аккумулирования чего-либо. В нашем случае, обычно аккумулятор не воды и не кинетической энергии, а электрический, точнее химический, как наиболее распространённый тип. Кавычки, в данном случае означают, что это не обычный химический аккумулятор.
            • 0
              Спасибо, я в курсе. Именно по этой причине я в своем посте и написал что ионистор — это не аккумулятор. Он «аккумулятор».
              Причем с характеристиками, гораздо более предпочтительными для работы с солнечной батареей.
              Поэтому приравнивать эти два понятия, как сделал Quiensabe, неверно.
              • 0
                Ох, прости, я запутался в комментариях :(
  • +3
    А давно кремниевую подложку стали называть вафлей?)) Я так понимаю, в оригинале было слово wafer.
  • +2
    Что-то часто во всех этих «революциях» стало проскакивать упоминание графена. Это прям ни дать, ни взять супер-материал какой-то. То тут свойства улучшает, то там прочность увеличивает. Мне когда-то преподаватель на лекции по ГОСТам рассказывал о супер-свойствах графена и нанотрубок и использовал фразу вроде «берёшь ведро нанотрубок и высыпаешь в бетономешалку — получаешь супер-прочную, супер-долговечную смесь, например, для взлётной полосы».

    Я вот и думаю, а чего это графен этот вот так вот килограммами не производят и не продают на каждом шагу, он жеж половину наших технических проблем решил бы…
    • +2
      > Я вот и думаю, а чего это графен этот вот так вот килограммами не производят и не продают на каждом шагу, он жеж половину наших технических проблем решил бы…

      Его достаточно дорого и долго делать, чтобы вот так, ведрами в бетон.
  • 0
    > Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер.
    А меня одного напугала такая перспектива, что мобильный телефон и уж тем более ноутбук «может разрядиться за секунду, как электрошокер»? Как опасно будет жить в этом светлом будущем…
    • 0
      про это уже написал amarao выше. с другой стороны — идеальная система самоуничтожения для техники с конфиденциальной информацией. ПЫЩЩ и груда мусора, тем более если такие ионисторы, натурально, в микросхемы встраивать.
      • 0
        Фраза «у меня компьютер сгорел» теперь будет иметь несколько иной смысл, означающий не только потерю проца или материнки :)
  • 0
    «На диаграмме показаны плотность энергии (ватт-час на кг) и удельная мощность (ватт на кг) ионисторов из пористого кремния (P-Si), углеродных коммерческих транзисторов и ионисторов из пористого кремния с графеновым покрытием»
    Может быть ионисторов или конденсаторов?
    • 0
      Углеродные ионисторы должно быть.
  • 0
    «Всем известны свойства ионисторов» после этой фразы стало стыдно :)
    • 0
      А ещё всем известны принципы построения высоконагруженных систем, готовки мясных блюд, профессонального видеомонтажа, игры на скрипке и бега с шестом через препятствия на время.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.