Все мы прекрасно знаем, что такое ионисторы – это устройства, оптимально сочетающие в себе свойства химических батарей и конденсаторов. Они могут быстро разряжаться и заряжаться, хранят в себе намного больше энергии, чем традиционные конденсаторы, а все благодаря уникальной отличительной черте – двойному слою ионов и противоионов, играющих роль обложки для электролита.

Ранее никто и подумать не мог, что ионисторы можно сделать из кремния, не используя при этом химический электролит. Но если верить статье в Scientific Reports от 22.10.2013-го года, ученые из университета Вандербильта создали этот уникальный прибор. Им первым в мире удалось сделать кремниевый ионистор способом травления кремниевой подложки, используя в качестве покрытия «вафли» графен.

Сложно даже представить, какие перспективы данное изобретение откроет перед мобильной электроникой, ведь отныне заряд можно хранить на микросхеме, при этом заряжать химический аккумулятор вовсе не обязательно. Только представьте себе солнечные батареи, которые осуществляют запас энергии, а потом выдают ее круглосуточно! На практике это выглядит как ноутбук или мобилка, заряжающиеся в течение всего нескольких секунд, при этом они могут неделю и более работать без подзарядки. И эти примеры – одни из наиболее очевидных.

По словам Кэри Пинт, доцента кафедры машиностроения упомянутого выше университета, человека, который руководил проводимыми исследованиями, ранее ни один эксперт не воспринял бы всерьез саму идею создания ионистора из кремния. Но его коллегам удалось это сделать, чем ученые очень гордятся.

Благодаря уникальным свойствам ионисторов для них уже нашлось коммерческое применение. К примеру, электрохимические ионисторы способны накапливать кинетическую энергию, которая получается во время торможения болидов на Формуле-1 и некоторых электромобилей, автобусов и коммерческих авто. Речь идет о системах типа KERS, которые передают накопленную энергию колесам, что увеличивает крутящийся момент во время разгона. Ионисторы устанавливают на турбины крупных ветряков, которые нуждаются в дополнительной энергии во время смены направления и силы ветра.

• Японцы создали материал, способный вмещать в тысячи раз больше информации, чем Blu-ray и DVD диски
• Эксперты считают, что современный интернет в нынешнем виде будет существовать не более десяти лет
• Экономическая и прикладная экология
• Чем обернется для России отказ от GPS?
• Фильтр Ecoflo Coco на 40 процентов лучше очищает воду
• Физики установили новый рекорд эффективности графеновых СЭ
• Ученые установили, что жестокие фильмы не провоцируют рост преступности
• Ученые считают, что научное сотрудничество США и России в Антарсктиде «растопит» напряженные отношения между странами

Но ионисторы и по сей день по плотности энергии значительно уступают химическим литий-ионным аккумуляторам, поэтому они еще очень велики для многих мобильных девайсов. Правда, ученые считают, что это отставание удастся ликвидировать в ближайшем будущем.

На диаграммах продемонстрирована плотность энергии, измеряющейся в ватт-час на кг, а также удельная мощность ионисторов, изготовленных из пористого кремния, коммерческих углеродных ионисторов, ионисторов, в производстве которых использовался пористый кремний и графеновое покрытие.

Следует отметить, что в последние несколько лет очень часто можно услышать о проведении экспериментов с нанотрубками или ионисторами из графена, а изобретение специалистов из университета Вандербильта выделяется из общего потока.

Простота подхода инженеров состоит в применении пористого кремния, который является материалом с легко контролируемыми свойствами. Его очень легко получить благодаря травлению «вафли». Специалисты обнаружили, что если покрыть материал слоем графена, в разы улучшаются его характеристики как ионистора.

Пинт говорит, что в самом начале эксперимента они и понятия не имели, что будет получено в итоге. Как правило, графен выращивается из карбида кремния при сверхвысоких температурах (не менее 1400 градусов), поэтому никто не ожидал, что уже при температуре в 600 градусов можно будет получить нечто, что хотя бы похоже на него.

Когда ученые вынули из печи кремниевую вафлю, они заметили, что она уже не оранжевая, а фиолетовая с черным. После исследования под микроскопом выяснилось, что пористый кремний покрылся тонким слоем углерода.

Пористый кремний, не покрытый графеном (слева) и с графеновым покрытием (справа).

По результатам тестов выяснилось, что покрытие графеном создает некое подобие защитного слоя, к тому же после полного заряда ионистора максимальная плотность энергии возросла в 25 раз.

По словам авторов исследования, цель их работы – не создать ионисторы, плотность энергии в которых была бы рекордной, а интегрировать их в традиционные микросхемы, производимые по стандартной технологии. Самый логичный вариант – монтаж ионисторов на обратной стороне сенсоров и солнечных панелей.

Все большее количество устройств, которые использует современный человек, нуждаются в электрической энергии, и чем лучше ученым удастся интегрировать сбережение энергии в уже существующие материалы, тем более эффективными и компактными они будут.