يُظهر نوع جديد من المكثفات الفائقة الصغيرة للغاية قدرات رائعة لتخزين الطاقة وثورة محتملة في إمدادات الطاقة بالجهاز. طور الباحثون مكثفًا فائقًا فائق الصغر يتجاوز جميع النماذج المتاحة تجاريًا حاليًا من حيث سعة التخزين والاكتناز. يجمع تصميمه بين ترانزستورات التأثير الميداني وطبقات من ثاني كبريتيد الموليبدينوم والجرافين لزيادة السعة بنسبة مذهلة تصل إلى 3000% في ظل ظروف معينة.
قام باحثون من قسم الفيزياء الآلية والتطبيقية (IAP) في المعهد الهندي للعلوم (IISc) بتصميم نوع جديد من المكثفات الفائقة فائقة الصغر، وهو جهاز صغير قادر على تخزين كميات كبيرة من الشحنات الكهربائية. وهو أصغر حجمًا وأكثر إحكاما من المكثفات الفائقة الموجودة ويمكن استخدامه في أجهزة تتراوح من أضواء الشوارع إلى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمركبات الكهربائية والمعدات الطبية.
حاليًا، تعمل معظم هذه الأجهزة بالبطارية. ومع ذلك، مع مرور الوقت، تفقد هذه البطاريات قدرتها على تخزين الشحن، وبالتالي يكون لها عمر افتراضي محدود. يمكن للمكثفات، بحكم تصميمها، تخزين الشحنة لفترات أطول من الزمن. على سبيل المثال، المكثف الذي يعمل بجهد 5 فولت سيظل يعمل بنفس الجهد بعد مرور عشر سنوات. ولكن على عكس البطاريات، لا يمكن تفريغ المكثفات الفائقة بشكل مستمر، مثل تشغيل الهاتف الخلوي.
من ناحية أخرى، تجمع المكثفات الفائقة بين مزايا البطاريات والمكثفات ويمكنها تخزين وإطلاق كميات كبيرة من الطاقة، مما يجعلها شائعة في الأجهزة الإلكترونية من الجيل التالي.
في الدراسة، التي نُشرت مؤخرًا في ACSE Energy Letters، أنشأ الباحثون مكثفهم الفائق باستخدام ترانزستورات التأثير الميداني (FETs) كمجمعات للشحن بدلاً من الأقطاب الكهربائية المعدنية المستخدمة في المكثفات الموجودة. قال أبها ميسرا، الأستاذ في IAP والمؤلف المقابل للدراسة: "إن استخدام ترانزستورات التأثير الميداني كأقطاب كهربائية في المكثفات الفائقة يعد طريقة جديدة لضبط شحنة المكثف".
الابتكارات في تصميم المكثفات
تستخدم المكثفات الحالية عادةً أقطابًا كهربائية قائمة على أكسيد المعدن، ولكنها محدودة بسبب انخفاض حركة الإلكترون. لذلك قررت ميسرا وفريقها إنشاء ترانزستورات هجينة ذات تأثير ميداني، مصنوعة من طبقات قليلة من سماكة الذرات من ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) والجرافين لزيادة حركة الإلكترون، ثم توصيلها بملامسات ذهبية. يتم استخدام إلكتروليت هلامي صلب بين قطبين كهربائيين FET لبناء مكثف فائق للحالة الصلبة. تم بناء الهيكل بأكمله على ركيزة من السيليكا/السيليكون.
وقال ميسرا: "التصميم هو الجزء الأساسي لأنك تقوم بدمج نظامين، وهما قطبان كهربائيان ترانزستور ذو تأثير ميداني وكهارل هلامي (وسط أيوني)، لهما سعات شحن مختلفة". وأضاف فينود بانوار، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة وطالب الدكتوراه في IAP، أن تصنيع مثل هذا الجهاز للحصول على جميع الخصائص المرغوبة للترانزستور أمر صعب. ونظرًا لأن هذه المكثفات الفائقة صغيرة جدًا، فلا يمكن رؤيتها بدون مجهر، وتتطلب عملية التصنيع دقة عالية وتنسيقًا بين اليد والعين.
الأداء والخطط المستقبلية
بعد إنشاء المكثف الفائق، قام الباحثون بقياس السعة الكهروكيميائية للجهاز، أو القدرة على الاحتفاظ بالشحن، من خلال تطبيق الفولتية المختلفة. ووجدوا أن السعة زادت بنسبة 3000% في ظل ظروف معينة. وبالمقارنة، فإن المكثف الذي يحتوي فقط على MoS2 بدون الجرافين يزيد من سعته بنسبة 18% في ظل نفس الظروف.
في المستقبل، يخطط الباحثون لاستكشاف ما إذا كان استبدال MoS2 بمواد أخرى يمكن أن يزيد من تحسين سعة تخزين المكثفات الفائقة. وأضافوا أن المكثف الفائق الخاص بهم يعمل بكامل طاقته ويمكن استخدامه في أجهزة تخزين الطاقة مثل بطاريات السيارات الكهربائية أو في أي نظام مصغر من خلال التكامل على الرقاقة. كما أنهم يخططون للحصول على براءة اختراع للمكثف الفائق.