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超級電容器材料玩起“混搭”,多孔硅變出怎樣“戲法”

 硅基電極性能首次達到碳基水平

  多年來,能裝在芯片上的微小超級電容一直廣受科學家追捧,決定電容器性能的關鍵是其電極材料,有潛力的“選手”包括石墨烯、碳化鈦和多孔碳等。據德國雜志網站近日報道,芬蘭國家技術研究中心(VTT)研究團隊最近把目光轉向了一種“不可能”的弱電材料——多孔硅,為了把它變成強大的電容器,團隊創新性地在其表面涂了一層幾納米厚的氮化鈦涂層,使其性質得以改變。

  該團隊負責人麥卡·普倫尼拉解釋說,因化學反應導致的不穩定性和高電阻導致的低功率,不帶涂層的多孔硅本是一種極差的電容器電極材料。涂上氮化鈦的能提供化學惰性和高導電性,帶來了高度穩定性和高功率,且多孔硅有很大的表面積矩陣。

  根據荷蘭愛思唯爾出版集團《納米能源》雜志在線發表的論文,新電極裝置經13000次充放電循環而沒有明顯的電容減弱。普倫尼拉說,報告數據受檢測時間的限制,而并非電極真實性能。他們繼續對其進行充放電循環,至今已達到5萬次,甚至在循環中讓電極干燥,也沒有出現物理損壞或電學性能衰減問題?!俺夒娙菀蠓€定地達到10萬次循環。目前用多孔硅—氮化鈦(Si-TiN)做電極的電容裝置能完全穩定地通過5萬次測試?!?

  在功率密度和能量密度方面,新電極裝置比得上目前最先進的超級電容器。目前由氧化石墨烯/還原氧化石墨烯制造的芯片微電容器功率密度為200瓦/立方厘米,能量密度為2毫瓦時/立方厘米,而新電極裝置功率密度達到214瓦/立方厘米,能量密度為1.3毫瓦時/立方厘米。普倫尼拉說,這些數字標志著硅基材料首次達到了碳基和石墨烯基電極方案的標準。

  從電子產品的功率穩定器到局部能量采集存儲器,芯片超級電容器有著廣泛的應用。普倫尼拉說,他們在整體設計中還存在一些難題,每單位面積電容仍需提高,要達到技術許可的最高水平,他們還需進一步研究。

  日本廚師發現將牛油果加上芥末竟然有了三文魚的味道。如今,芬蘭科學家也玩起了這樣混搭的“戲法”——他們給多孔硅穿上一層氮化鈦的外衣,盡管這層薄薄的外衣只有幾納米那么厚,卻足以改變多孔硅電極的性能。這樣的想象力讓超級電容器的電極材料又多了一位優質成員,且它給人們的生活帶來的改變也許遠比一道日本料理大得多!隨著芯片技術的廣泛應用,希望科學家盡快解決多孔硅電極材料在超小型超級電容器上的設計問題,讓這樣巧思的發明早日造福人類。

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