Superkondensaattori IoT-mikropiirille

Teknologian tutkimuskeskus VTT on kehittänyt uudenlaisen mikropiirin, jonka sisälle voidaan nanotekniikalla luoda energialähteeksi superkondensaattori.  Ratkaisu tuo uudenlaisen mahdollisuuden esineiden internetin toteuttamiseen.

Ratkaisu perustuu tutkimuslaitoksen kehittämään hybridinanomateriaaliin. Piirille integroitava superkondensaattorit muistuttavat sähkökemiallisia akkuja.  Toisin kuin esimerkiksi matkapuhelimien litiumioni-akuissa, joissa varastoitu energia perustuu pitkälti kemiallisiin reaktioihin, superkondensaattoreissa energia on sidottu kiinteän ja nestemäisen elektrodin rajapintaan pääasiassa sähköstaattisesti.

Superkondensaattoreiden energia- ja tehotiheydet riippuvat suoraan niiden elektrodien pinta-alasta ja johtavuudesta. VTT:n tutkimusryhmä kehitti elektrodiksi hybridinanomateriaalin, jossa huokoinen pii on atomikerroskasvatustekniikan (ALD) avulla pinnoitettu muutaman nanometrin paksuisella johtavalla titaaninitridikerroksella.

Tuloksena on ennätyksellisen suuri johtava pinta-ala pienessä tilavuudessa. Kun superkondensaattori rakennetaan lisäämällä ioneja kuljettava elektrolyytti kahden tällaisen elektrodin väliin muodostettuun mikrokanavaan, tuloksena on äärimmäisen pieni ja tehokas energiavarasto.

Uusi superkondensaattori on erittäin suorituskykyinen. Kyseessä on ensimmäinen piipohjainen mikrosuperkondensaattori, jonka on osoitettu kilpailevan tehossa ja energiamäärässä parhaiden hiili- ja grafeenipohjaisten ratkaisujen kanssa.

Pienet superkondensaattorit voidaan integroida aktiivisten mikropiirien läheisyyteen esimerkiksi varastoimaan ympäristön lämpö-, värähtely- tai valoenergiaa keräävien laitteiden tuottamaa sähköä ja syöttämään sitä käyttöön tarpeen mukaan. Tämä on tarpeen muun muassa esineiden internetin autonomisten anturiverkkojen, puettavan elektroniikan ja mobiililaitteiden energiahallinnassa.

VTT:n tutkimusryhmän ratkaisu vie integroinnin uudelle tasolle mahdollistaen energian varastoinnin aktiivikomponenttisirujen sisällä. Tutkimusryhmä on integroinut uuden mikrosuperkondensaattorin piisirun sisälle.

Tämän huokoiseen piihin ja titaaninitridiin perustuvan in-chip -superkondensaattoriteknologian avulla voidaan varastoida jopa 0.2 joulea energiaa ja tuottaa 2 wattia tehoa neliösentin pinta-alaa kohden, mutta samalla sirun pinta jää vapaaksi aktiivikomponenteille kuten antureille.

VTT etsii parhaillaan yhteistyökumppania teknologian kaupallistamiseen.

LISÄÄ:  Tieteellinen artikkeli julkaistaan Nano Energy –julkaisussa elokuussa 2016 (Volume 26, sivut 340-345) (LINKKI, elokuussa 2016)

Kuva: VTT

LUE – UUTTA  – LUE – UUTTA – LUE – UUTTA

Uusi ammattilehti huipputekniikan kehittäjille -Lue ilmaiseksi verkossa!