Классические электростатические конденсаторы в силу высокой скорости разрядки, лимитируемой только внешними RC-цепями, характеризуются высокой мощностью, но низкой энергоемкостью, так как используют только поверхностный заряд на обкладках. Напротив, электрохимические суперконденсаторы, в которых фактически используется емкость двойного электрического слоя, позволяют запасать достаточно большие объемы энергии на поверхности электродов, однако при этом они обладают значительно меньшей мощностью, так как скорость разрядки лимитируется транспортом ионов или окислительно-восстановительных реагентов.
Группа ученых из США и Кореи предложила метод создания нового поколения конденсаторов на основе высокоориентированных наноструктур, демонстрирующих одновременно высокие мощность (до 106 Вт/кг) и плотность энергии (~0,7 Вт∙ч/кг).
Для этого в качестве воспроизводимого наноматериала с большой удельной поверхностью были выбраны пленки анодированного оксида алюминия (AAO) толщиной 1-10 мкм с гексагонально ориентированными порами плотностью ~1010 пор/см2. Внутренняя поверхность пор методом осаждения атомных слоев (ALD) покрывалась слоями металл (TiN)-изолятор (Al2O3)-металл (TiN) толщиной 5.6, 6.5 и 12.6 нм соответственно. Общая толщина MIM пленки составляла порядка 25 нм.
Полученные устройства демонстрировали следующие макроскопические параметры:
-
эквивалентная планарная емкость порядка 10 мкФ/см2 для образцов с порами глубиной 1 мкм и 100 мкФ/см2для пор 10 мкм глубины;
-
саморазрядка ~5∙10-9 А/см2 при напряженности поля 3 МВ/см;
-
напряжение пробоя ~5 МВ/см
Улучшить рабочие характеристики таких материалов можно, используя в качестве изоляционного слоя вещества с высокой диэлектрической проницаемостью, например, HfO2.
