芯片超級電容器又添新成員 硅基電極性能首次達到碳基水平

材料牛注：裝在芯片上的超級電容一直是科學家的“掌上明珠”，決定電容器性能的關鍵是其電極材料，芬蘭的研究者們團隊創新性地在其表面涂了一層幾納米厚的氮化鈦涂層，將弱電極材料多孔硅變成良好的導體使得硅基材料已經達到了與碳基相同的水平。

至少在過去五年里，適用于芯片的微型超級電容一直在被熱烈的追捧著。我們經常可以看到一些老面孔，例如：石墨烯、碳化鈦和多孔碳，它們通常作為電極材料應用于芯片的超級電容上。

當前，芬蘭VTT技術研究中心的研究者們將目光投向了一種不可能用于生產小型儲能裝置的材料：多孔硅。那么，研究者們是如何把這種出了名的弱導電材料變成一個強大的動力室呢？他們創新性地在多孔硅上覆上一層納米級厚度的氮化鈦涂層，使其性質得以改變。

VTT 的研究小組負責人Mika Prunnila解釋道說，沒有涂層的多孔硅是一種極差的電容器電極材料，主要的問題在于多孔硅的化學反應能力和高電阻率。化學反應性導致了多孔硅較差的穩定性，高電阻率導致多孔硅的低導電性。”Prunnila注意到添加高濃度的摻雜劑對多孔硅的導電性影響不大。因為納米尺寸的結構使得余下的硅消耗大量的摻雜電子，所以高摻雜多孔硅仍然表現良好的絕緣性。而氮化鈦薄層解決了上述兩個問題，其性能表現堪稱出色。Prunnila說：“氮化鈦薄層提供的化學惰性和高導電性分別帶來了高穩定性和高功率。同時，多孔硅也提供了很大的表面積矩陣。”

由Prunnila和他的同事在期刊Nano Energy上發表的一篇論文中的性能數據令人印象深刻。研究人員稱新電極裝置已經通過13000次充放電循環而沒有發生明顯的電容減弱，而Prunnila告訴本站說，他們繼續對其進行充放電循環，至今已達到5萬次，甚至在循環中讓電極干燥，也沒有出現物理損壞或電學性能衰減問題。

Prunnila說：“報告數據（我們在論文中發表的數據）受檢測時間的限制，而并非電極真實性能。超級電容“必須”要求穩定地達到10萬次循環。目前用多孔硅—氮化鈦（Si-TiN）做電極的電容裝置能完全穩定地通過5萬次測試。”在功率密度和能量密度方面，VTT團隊開發的新電極裝置比得上目前最先進的超級電容器。在論文中，研究人員指出現有芯片內的微小超級電容設備，是由氧化石墨烯/還原氧化石墨烯制作的，這種設備的電流密度為200W/cm³的和能量密度為2mWh/cm³的。而VTT研究人員開發的新電極裝置電流密度高達214W/cm³的和能量密度達到1.3mWh/cm³。Prunnila說，就這些指標而言，這些數據標志著硅基材料首次達到了與碳基和石墨烯基電極相同的水平。

該技術的挑戰仍然不斷出現。此外，要達到技術許可的最高水平，仍然需要提高單位面積的電容。Prunnila說：“從消耗電子產品的功率穩定器到局部能量采集存儲器，這種電容有很大的應用潛力。”在后續的研究中，VTT科學家正深入進行材料和設備的研究，旨在優化超級電容的電極。“在這方面，一個重要的觀點是提高對氮化鈦電解質界面電學和電化學行為原理的理解，”Prunnila補充道。

論文地址：Conformal titanium nitride in a porous silicon matrix: A nanomaterial for in-chip supercapacitors

原文鏈接：On-Chip Supercapacitors Dump Carbon in Favor of Silicon

本文由黃語嫣提供素材，黃瓊編譯，李銳審核。