研究人员已经开发出一种超微超级电容器，它在存储和紧凑性方面超过了目前的模型。它的设计结合了场效应晶体管和二硫化钼和石墨烯层，在特定条件下使电容增加了令人印象深刻的3000%。

一种新型超微超级电容器展示了卓越的能量存储和设备电源的潜在革命。

印度科学研究所仪器与应用物理系(IAP)的研究人员设计了一种新型的超微超级电容器，这是一种能够储存大量电荷的微小装置。它也比现有的超级电容器更小、更紧凑，可以潜在地用于从路灯到消费电子产品、电动汽车和医疗设备等许多设备。

目前，这些设备大多由电池供电。然而，随着时间的推移，这些电池失去了储存电量的能力，因此保质期有限。另一方面，电容器由于其设计，可以储存更长的电荷。例如，一个工作电压为5伏的电容器即使在十年后也将继续工作在相同的电压下。但与电池不同的是，它们不能持续释放能量——例如为移动电话供电。

超级电容器的优势

另一方面，超级电容器结合了电池和电容器的优点——它们可以储存和释放大量的能量，因此在下一代电子设备中备受追捧。

在最近发表在《ACS能源快报》上的研究中，研究人员使用场效应晶体管(fet)作为电荷收集器来制造他们的超级电容器，而不是使用现有电容器中使用的金属电极。IAP教授和该研究的通讯作者Abha Misra说:“使用FET作为超级电容器的电极是调整电容器电荷的新方法。”

器件原理图。图片来源:维诺德·潘瓦尔和潘卡杰·辛格·乔汉

电容器设计的创新

目前的电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移性差的限制。因此，Misra和她的团队决定构建混合场效应管，由交替的少原子厚度的二硫化钼(MoS2)和石墨烯层组成，以增加电子的迁移率，然后将其连接到金触点上。在两个FET电极之间使用固体凝胶电解质来构建固态超级电容器。整个结构是建立在二氧化硅/硅基上的。

“设计是关键部分，因为你要整合两个系统，”米斯拉说。这两种体系是两个FET电极和凝胶电解质(一种离子介质)，它们具有不同的电荷容量。该论文的主要作者之一、IAP的博士生维诺德·潘瓦尔(Vinod Panwar)补充说，制造这种器件以获得晶体管的所有理想特性是具有挑战性的。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜是看不到的，而且制造过程需要很高的精度和手眼协调能力。

Vinod Panwar在洁净室中制造设备。来源:Pragya Sharma

工作表现及未来计划

一旦超级电容器被制造出来，研究人员就会通过施加不同的电压来测量该装置的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在一定条件下，电容增加了3000%。相比之下，在相同的条件下，只含有二硫化钼而不含石墨烯的电容器仅显示出18%的电容增强。

未来，研究人员计划探索用其他材料取代二硫化钼是否能进一步提高超级电容器的电容。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可以通过片上集成部署在电动汽车电池等能量存储设备或任何小型化系统中。他们还计划申请超级电容器的专利。

参考文献:“mos - graphene -based supermicro - electrochemical Capacitor Gate Field Induced Extraordinary Energy Storage”，由Vinod Panwar, Pankaj Singh Chauhan, Sumana Kumar, Rahul Tripathi and Abha Misra, 2024年2月20日，ACS Energy Letters。DOI: 10.1021 / acsenergylett.2c02476