Ein neuer Typ eines ultrakleinen Superkondensators demonstriert bemerkenswerte Energiespeicherfähigkeiten und eine potenzielle Revolution bei der Stromversorgung von Geräten. Forscher haben einen ultrakleinen Superkondensator entwickelt, der in puncto Speicherkapazität und Kompaktheit alle derzeit kommerziell erhältlichen Modelle übertrifft. Sein Design kombiniert Feldeffekttransistoren mit Schichten aus Molybdändisulfid und Graphen, um die Kapazität unter bestimmten Bedingungen um beeindruckende 3.000 % zu erhöhen.
Forscher der Abteilung für Instrumentelle und Angewandte Physik (IAP) des Indian Institute of Science (IISc) haben einen neuen Typ eines Ultramikro-Superkondensators entwickelt, ein winziges Gerät, das große Mengen elektrischer Ladung speichern kann. Er ist kleiner und kompakter als bestehende Superkondensatoren und könnte in Geräten wie Straßenlaternen, Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen und medizinischen Geräten eingesetzt werden.
Derzeit sind die meisten dieser Geräte batteriebetrieben. Mit der Zeit verlieren diese Batterien jedoch ihre Fähigkeit, Ladung zu speichern, und sind daher nur noch begrenzt haltbar. Aufgrund ihrer Konstruktion können Kondensatoren Ladung über längere Zeiträume speichern. Beispielsweise wird ein Kondensator, der mit 5 Volt betrieben wird, zehn Jahre später immer noch mit derselben Spannung betrieben. Aber im Gegensatz zu Batterien können Superkondensatoren nicht kontinuierlich entladen werden, etwa um ein Mobiltelefon mit Strom zu versorgen.
Superkondensatoren hingegen vereinen die Vorteile von Batterien und Kondensatoren und können große Energiemengen sowohl speichern als auch abgeben, was sie in elektronischen Geräten der nächsten Generation beliebt macht.
In der kürzlich in ACSE Energy Letters veröffentlichten Studie entwickelten die Forscher ihren Superkondensator mithilfe von Feldeffekttransistoren (FETs) als Ladungskollektoren anstelle der Metallelektroden, die in vorhandenen Kondensatoren verwendet werden. „Die Verwendung von Feldeffekttransistoren als Elektroden in Superkondensatoren ist eine neue Möglichkeit, die Ladung des Kondensators abzustimmen“, sagte Abha Misra, Professor am IAP und korrespondierender Autor der Studie.
Innovationen im Kondensatordesign
Aktuelle Kondensatoren verwenden typischerweise Elektroden auf Metalloxidbasis, sind jedoch durch die geringe Elektronenmobilität eingeschränkt. Deshalb beschlossen Misra und ihr Team, hybride Feldeffekttransistoren zu entwickeln, die aus abwechselnden, einige Atome dicken Schichten aus Molybdändisulfid (MoS2) und Graphen bestehen, um die Elektronenmobilität zu erhöhen, und die dann mit Goldkontakten verbunden wurden. Ein fester Gelelektrolyt wird zwischen zwei FET-Elektroden verwendet, um einen Festkörper-Superkondensator aufzubauen. Die gesamte Struktur ist auf einem Silica/Silicium-Substrat aufgebaut.
„Das Design ist der entscheidende Teil, weil man zwei Systeme integriert, nämlich zwei Feldeffekttransistor-Elektroden und einen Gelelektrolyten (ein ionisches Medium), die unterschiedliche Ladungskapazitäten haben“, sagte Misra. Vinod Panwar, einer der Hauptautoren der Studie und Doktorand am IAP, fügte hinzu, dass die Herstellung eines solchen Geräts, um alle wünschenswerten Eigenschaften eines Transistors zu erhalten, eine Herausforderung sei. Da diese Superkondensatoren so klein sind, können sie ohne Mikroskop nicht gesehen werden und der Herstellungsprozess erfordert hohe Präzision und Hand-Auge-Koordination.
Leistung und Zukunftspläne
Nachdem der Superkondensator hergestellt wurde, maßen die Forscher die elektrochemische Kapazität oder Ladungshaltefähigkeit des Geräts durch Anlegen verschiedener Spannungen. Sie fanden heraus, dass sich die Kapazität unter bestimmten Bedingungen um 3.000 % erhöhte. Im Vergleich dazu steigerte ein Kondensator, der nur MoS2 ohne Graphen enthielt, seine Kapazität unter den gleichen Bedingungen nur um 18 %.
Zukünftig wollen die Forscher untersuchen, ob der Ersatz von MoS2 durch andere Materialien die Speicherkapazität von Superkondensatoren weiter verbessern kann. Sie fügten hinzu, dass ihr Superkondensator voll funktionsfähig sei und durch On-Chip-Integration in Energiespeichergeräten wie Elektrofahrzeugbatterien oder in jedem miniaturisierten System verwendet werden könne. Sie planen auch, den Superkondensator patentieren zu lassen.