Forskare vid Chalmers har utvecklat mikrosuperkondensatorer och lyckats tillverka dem i en CMOS-kompatibel process, något som är viktigt för att dessa effektivt ska kunna introduceras i produkter på marknaden. Superkondensatorer kan förlänga batteritiden hos mobiltelefoner eller minska laddtiden för en elbil.
– När man pratar om nya teknologier är det lätt att glömma bort hur viktig tillverkningsmetoden är för att de ska kunna produceras industriellt och komma samhället till nytta. Vi har utvecklat metoder som med säkerhet fungerar i verklig produktion, säger Agin Vyas, doktorand vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers tekniska högskola, och huvudförfattare till en artikel publicerad i Physica Status Solidi B.
Superkondensatorer består av två elektriska ledare som skiljs åt av ett isolerande skikt. De kan lagra elektrisk energi och har många positiva egenskaper jämfört med ett vanligt batteri; de kan laddas mycket snabbare, distribuera sin lagrade energi på ett effektivare sätt, och kan laddas och laddas ur tusentals gånger utan att prestandan försämras. När en superkondensator kombineras med ett batteri i en eldriven produkt, kan batteriets livslängd förlängas många gånger. Till exempel kan livslängden på batteriet i ett elfordon bli upp till fyra gånger längre. Och vinsterna för slutkonsumenten blir stora, vare sig det handlar om privatkonsumtion eller tillämpningar i industriapplikationer.
Tillverkning en stor utmaning
Men i praktiken är dagens superkondensatorer för stora för många användningsområden där de skulle kunna göra nytta. De behöver ha ungefär samma storlek som batteriet de är kopplade till, vilket är ett hinder för att integrera dem på mobiltelefoner eller elbilar. Därför handlar en stor del av dagens forskning och utveckling av superkondensatorer om att göra dem mindre. Betydligt mindre.
Målet för Agin Vyas och hans kollegor är att utveckla mikrosuperkondensatorer som är så små att de kan få plats på systemkretsar, SoC:s.
En av de viktigaste utmaningarna på vägen mot att utveckla mikrosuperkondensatorer är att hitta praktiska metoder för tillverkning. De minimala enheterna behöver tillverkas på ett sådant sätt att de dels blir kompatibla med övriga komponenter i en systemkrets, dels enkelt kan skräddarsys för olika användningsområden. I den vetenskapliga artikeln demonstrerar forskarna en CMOS tillverkningsprocess där mikrosuperkondensatorer integreras. Man har också utvecklat en metod för att producera mikrosuperkondensatorer i upp till tio olika material i en och samma tillverkningsprocess, vilket i sin tur innebär att egenskaper enkelt kan skräddarsys för att passa flera olika slutapplikationer.
– Genom att använda så kallad spinnbeläggning, som är en hörnsten i många tillverkningsprocesser, kan vi välja elektrodmaterial. Vi visar också att användning av alkylaminokedjor i reducerad grafenoxid leder till en högre laddnings- och lagringskapacitet, säger Agin Vyas.
– Vår metod går att skala upp och innebär reducerade kostnader för tillverkningsprocessen. Det är en stor produktionsteknisk framgång och ett viktigt steg mot praktisk användning av mikrosuperkondensatorer i både vardagselektronik och industriapplikationer.
Länk till artikeln: Alkyl-Amino Functionalized Reduced-Graphene-Oxide–heptadecan-9-amine-Based Spin-Coated Microsupercapacitors for On-Chip Low Power Electronics i tidskriften Physica Status Solidi B
Forskningen har finansierats av EU:s Horizon 2020 (GreEnergy), Vinnova och SAAB.
