sobota, 04. april 2009

Elektrostatični kondenzator iz nanopor






Značilnost ultrakondenzatorjev je, da imajo izredno veliko kapacitivnost. Če so običajne kapacitivnosti velikosti mikro ali pikofaradov, imajo ultrakondenzatorji kapacitivnosti velikosti faradov, torej milijonkrat več. Kako to dosežejo?

Kapacitivnost opisuje zvezo med električnim nabojem na elektrodama (+-Q) in napetostjo med elektrodama kondenzatorja U : Q = CU. Več kot je naboja med elektrodama višja je napetost. Hkrati je mera za zmožnost shranjevanje energije, večja kapacitivnost omogoča shranjevanje večje količine energije pri enaki napetosti: W= 0,5*CU^2.

Iskaže se, da je kapacitivnost snovno-geometrijska lastnost. Odvisna je od materiala med elektrodama ter od razdalje med elektrodama in površine elektrod. Večje kapacitivnosti se doseže pri večji površini elektrod in manjši razdalji med elektrodama.

Večje kapacitivnosti so bistvenega pomena za nadaljnji razvoj naprav, ki temeljijo na uporabi prenosne električne energije. Morda največji trg predstavljajo v bodočnosti avtomobili na električno energijo. Predvsem pa je pomembno, da kondenzator omogoča čim večjo kapacitivnost na težo in hkrati čim večjo moč na težo.

Na Univerzi Maryland (ZDA) so uspeli izdelati kondenzator iz nanopor, v katere s tehnologijo depozicije atomskih plasti (ALD: atomic layer deposition) kontrolirano nanesejo (deponirajo) tako prevodne kot neprevodne plasti. Nanopore so izdelali z anodizacijo tankih lističev aluminija, nato pa s tehnologijo ALD nanesli prevodno plast (TiN), nato izolatorja (Al2O3) in zopet prevodnika (TiN). Pri 1 um debeli plasti aluminija so dosegli kapacitivnost (na površino) 10 uF/cm2, kar je izjemen rezultat. Taki nanokondezatorji uspevajo doseči moči 10^6 W/kg, hkrati pa tudi zelo velike gostote energije (0,7 Wh/kg), kar je sicer značilno le za elektrokemijske kondenzatorje.


Slika 1: Kondezator kot strnjen element, priključen na vir napetosti U.


Slika 2: Zveza med nabojem in napetostjo na kondenzatorju ter energija shranjena v kondenzatorju.

Slika 3: Postopek izdelave nanoporskih kondenzatorjev s formiranjem por v aluminijev listič in nato z izmeničnim nanašanjem atomskih plasti prevodnega in izolirnega materiala.


Slika 4: Zelo regularna formacija nanopor.


Slika 5: Formiran kondenzator v preseku slikam s SEM (skenirnim elektronskim mikroskopom).





Več:


Banerjee et al.: Nanotubular metal–insulator–metal capacitor
arrays for energy storage, Nature Nanotechnology doi: 10.1038/nnano.2009.37 (2009).