芯片超级电容器又添新成员 硅基电极性能首次达到碳基水平

材料牛注：装在芯片上的超级电容一直是科学家的“掌上明珠”，决定电容器性能的关键是其电极材料，芬兰的研究者们团队创新性地在其表面涂了一层几纳米厚的氮化钛涂层，将弱电极材料多孔硅变成良好的导体使得硅基材料已经达到了与碳基相同的水平。

至少在过去五年里，适用于芯片的微型超级电容一直在被热烈的追捧着。我们经常可以看到一些老面孔，例如：石墨烯、碳化钛和多孔碳，它们通常作为电极材料应用于芯片的超级电容上。

当前，芬兰VTT技术研究中心的研究者们将目光投向了一种不可能用于生产小型储能装置的材料：多孔硅。那么，研究者们是如何把这种出了名的弱导电材料变成一个强大的动力室呢？他们创新性地在多孔硅上覆上一层纳米级厚度的氮化钛涂层，使其性质得以改变。

VTT 的研究小组负责人Mika Prunnila解释道说，没有涂层的多孔硅是一种极差的电容器电极材料，主要的问题在于多孔硅的化学反应能力和高电阻率。化学反应性导致了多孔硅较差的稳定性，高电阻率导致多孔硅的低导电性。”Prunnila注意到添加高浓度的掺杂剂对多孔硅的导电性影响不大。因为纳米尺寸的结构使得余下的硅消耗大量的掺杂电子，所以高掺杂多孔硅仍然表现良好的绝缘性。而氮化钛薄层解决了上述两个问题，其性能表现堪称出色。Prunnila说：“氮化钛薄层提供的化学惰性和高导电性分别带来了高稳定性和高功率。同时，多孔硅也提供了很大的表面积矩阵。”

由Prunnila和他的同事在期刊Nano Energy上发表的一篇论文中的性能数据令人印象深刻。研究人员称新电极装置已经通过13000次充放电循环而没有发生明显的电容减弱，而Prunnila告诉本站说，他们继续对其进行充放电循环，至今已达到5万次，甚至在循环中让电极干燥，也没有出现物理损坏或电学性能衰减问题。

Prunnila说：“报告数据（我们在论文中发表的数据）受检测时间的限制，而并非电极真实性能。超级电容“必须”要求稳定地达到10万次循环。目前用多孔硅—氮化钛（Si-TiN）做电极的电容装置能完全稳定地通过5万次测试。”在功率密度和能量密度方面，VTT团队开发的新电极装置比得上目前最先进的超级电容器。在论文中，研究人员指出现有芯片内的微小超级电容设备，是由氧化石墨烯/还原氧化石墨烯制作的，这种设备的电流密度为200W/cm³的和能量密度为2mWh/cm³的。而VTT研究人员开发的新电极装置电流密度高达214W/cm³的和能量密度达到1.3mWh/cm³。Prunnila说，就这些指标而言，这些数据标志着硅基材料首次达到了与碳基和石墨烯基电极相同的水平。

该技术的挑战仍然不断出现。此外，要达到技术许可的最高水平，仍然需要提高单位面积的电容。Prunnila说：“从消耗电子产品的功率稳定器到局部能量采集存储器，这种电容有很大的应用潜力。”在后续的研究中，VTT科学家正深入进行材料和设备的研究，旨在优化超级电容的电极。“在这方面，一个重要的观点是提高对氮化钛电解质界面电学和电化学行为原理的理解，”Prunnila补充道。

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

原文链接：On-Chip Supercapacitors Dump Carbon in Favor of Silicon

本文由黄语嫣提供素材，黄琼编译，李锐审核。