新しいタイプの超小型スーパーキャパシタは、驚くべきエネルギー貯蔵能力とデバイスの電源における潜在的な革命を実証します。研究者らは、記憶容量とコンパクトさの点で現在市販されているすべてのモデルを超える超小型スーパーキャパシタを開発しました。その設計では、電界効果トランジスタと二硫化モリブデンおよびグラフェンの層を組み合わせて、特定の条件下で静電容量を驚異的に 3,000% 増加させます。
インド科学研究所 (IISc) の機器応用物理学科 (IAP) の研究者らは、大量の電荷を蓄えることができる小型デバイスである、新しいタイプの超マイクロ スーパーキャパシタを設計しました。これは既存のスーパーキャパシタよりも小型でコンパクトであり、街路灯から家庭用電化製品、電気自動車、医療機器に至るまでのデバイスに使用できる可能性があります。
現在、これらのデバイスのほとんどはバッテリー駆動です。ただし、時間が経つと、これらのバッテリーは電荷を蓄える能力を失うため、使用期限が限られます。コンデンサは、その設計により、電荷を長期間保存できます。たとえば、5 ボルトで動作するコンデンサは 10 年後も同じ電圧で動作します。しかし、電池とは異なり、スーパーキャパシタは、携帯電話に電力を供給するなど、継続的に放電することはできません。
一方、スーパーキャパシタはバッテリーとキャパシタの利点を組み合わせており、大量のエネルギーを貯蔵および放出できるため、次世代の電子機器で人気があります。
ACSE Energy Letters に最近掲載されたこの研究では、研究者らは、既存のコンデンサで使用されている金属電極の代わりに電界効果トランジスタ (FET) を電荷コレクタとして使用してスーパーコンデンサを作成しました。 「電界効果トランジスタをスーパーキャパシタの電極として使用することは、キャパシタの電荷を調整する新しい方法です」と、IAPの教授であり、この研究の責任著者であるアブハ・ミスラ氏は述べた。
コンデンサ設計の革新
現在のコンデンサは通常、金属酸化物ベースの電極を使用していますが、電子移動度が低いため限界があります。そこでミスラ氏と彼女のチームは、電子の移動度を高めるために数原子の厚さの二硫化モリブデン（MoS2）とグラフェンの層を交互に重ねたハイブリッド電界効果トランジスタを作成し、金の接点に接続することにした。固体ゲル電解質は 2 つの FET 電極間に使用され、固体スーパーキャパシタを構築します。構造全体はシリカ/シリコン基板上に構築されます。
「設計が重要な部分です。なぜなら、異なる電荷容量を持つ 2 つの電界効果トランジスタ電極とゲル電解質 (イオン媒体) という 2 つのシステムを統合することになるからです。」とミスラ氏は言います。この研究の筆頭著者の一人であり、IAPの博士課程の学生であるヴィノッド・パンワール氏は、トランジスタの望ましい特性をすべて得るためにこのようなデバイスを製造するのは困難であると付け加えた。これらのスーパーキャパシタは非常に小さいため、顕微鏡なしでは見ることができず、製造プロセスには高精度と目と手の調整が必要です。
業績と今後の計画
スーパーキャパシタの作成後、研究者らはさまざまな電圧を印加して、デバイスの電気化学容量、つまり電荷保持能力を測定しました。彼らは、特定の条件下で容量が 3,000% 増加することを発見しました。比較すると、グラフェンを含まず MoS2 のみを含むコンデンサは、同じ条件下で容量が 18% しか増加しませんでした。
研究者らは将来、MoS2を他の材料で置き換えることでスーパーキャパシタの貯蔵容量をさらに向上できるかどうかを調査する予定だ。彼らのスーパーキャパシタは完全に機能しており、電気自動車のバッテリーなどのエネルギー貯蔵装置や、オンチップ統合によりあらゆる小型システムで使用できると付け加えた。彼らはスーパーキャパシタの特許も取得する予定だ。