Opis projektu

Materiały dla superkondensatorów dla przezroczystej elektroniki

Wymagane parametry dotyczące superkondensatorów do zastosowań dla elektroniki mobilnej [1] uzupełnione o kryterium przezroczystości zestawiono w Tabeli 1 poniżej.

Tabela 1. Zestawienie docelowych parametrów użytkowych dla superkondensatorów dla przezroczystej elektroniki. Źródło: [1]

Pojemność	Prąd ładowania/rozładowania	Napięcie pracy	Przezroczystość w świetle widzialnym
kilkanaście F	rzędu 100 mA	3,7 V	>70%

 

3,7 V jest napięciem pracy wykorzystywanym w telefonie komórkowym, prąd rzędu 100 mA jest pobierany podczas transmisji dźwięku a pojemność kilkunastu F jest wymagana dla odpowiednio długiego czasu obsługi połączenia. Typowe superkondensatory pracują przy napięciu pracy z zakresu 1-2,7 V, jednakże w celu zwiększenia dopuszczalnego napięcia można łączyć je szeregowo. Porównywalne prądy ładowania i pojemności osiągane są w zaawansowanych nieprzezroczystych superkondensatorach opartych na elektrodach węglowych wzbogacanych materiałami o wysokiej aktywności redoks. W przypadku obecnie wytwarzanych badawczo kondensatorów o pewnym stopniu przezroczystości, osiągane są pojemności właściwe rzędu 1 mF/cm² i prądy ładowania/rozładowania na poziomie 100 μA/cm² [2]. Prace te znajdują się dopiero na początkowym etapie i dotychczas opracowano głównie doraźne rozwiązania oparte na klasycznych elektrodach węglowych o zredukowanej grubości. Konstrukcje te poza niewystarczającymi parametrami użytkowymi wykazują przezroczystość na poziomie 50%, co jest wartością zdecydowanie zbyt niską dla celów aplikacyjnych (por. rys. 1).

 Rys. 1. Przykłady przezroczystych superkondensatorów, otrzymanych z zastosowaniem elektrod z nanowłókien (a) [2] i nanorurek (b) węglowych [3].

Mając na uwagę potrzebę zwiększenia pojemności i biorąc pod uwagę kryterium stabilności, najbardziej obiecującymi materiałami dla elektrod w przezroczystych superkondensatorach są tlenki metali przejściowych. W Tabeli 2 zestawiono standardowo badane w zastosowaniach elektrodowych metale przejściowe pod kątem ich ceny a także przerwy energetycznej i krawędzi absorpcji światła ich tlenków. Do powyższych danych dołączono wartości dla cynku i jego tlenku – materiałów, które zamierza wprowadzić niniejszy projekt.

Tabela 2. Zestawienie metali przejściowych pod kątem ich ceny oraz przerwy energetycznej i krawędzi absorpcji ich tlenku.

^* Źródło: http://www.infomine.com/, dostęp 12.02.2014 r.; Eg_IrO2: [4], Eg_RuO2: [5], Eg_V2O5: [6], Eg_MnO2: [7], Eg_ZnO: [8]

Z powyższego zestawienia wynika, że z konwencjonalnie badanych dla zastosowań w superkondensatorach tlenków metali jedynie tlenek irydu jest przezroczysty w widzialnym zakresie światła. Jednakże jego wysoka cena w zasadniczy sposób ogranicza jego stosowalność w produkcji. Tlenek cynku (ZnO), którego zastosowanie w superkondensatorach jest bardzo mało zbadane, charakteryzuje się nie tylko 8000 razy niższą ceną, ale również krawędzią absorpcji leżącą w krótszych falach. Stanowi tym samym obiecujący materiał dla zastosowań w przezroczystych superkondensatorach.

 

Bibliografia:

1. J. Monteiro i in., Consumer Electronics - Berlin (ICCE-Berlin), 2011 IEEE International Conference on, (2011) 318-321
2. K. Gao i in., Nanoscale 5 (2013) 5307-5311
3. J. Ge i in., Nanoscale 3 (2011) 3084-3088
4. S.H. Brewer i in., Chemical Physics 313 (2005) 25–31
5. V.D. Patake i in., Applied Surface Science 254 (2008) 2820–2824
6. Koduru i in. International Nano Letters (2013) 3–24
7. F. Ul Islam i in., J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 16 (2005) 203-207
8. A. Janotti i in., Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 126501

Powrót