Met de opkomst van miniatuursensoren en draadloze communicatie groeit de behoefte aan energiebronnen die passen op een chip. Er is nu een condensator ontwikkelt die de energiedichtheid van een batterij benadert, maar veel langer meegaat en meer laadcycli aankan.

Voor miniatuurtoepassingen zijn er grofweg twee mogelijkheden om elektrische energie op te slaan: elektrochemisch in een batterij, of elektrostatisch in een condensator, ook wel op zijn Engels supercap genoemd.

Bij op een chip geïntegreerde microtoepassingen won tot nu toe de batterij. Die kan namelijk per vierkante centimeter aanzienlijk meer energie opslaan dan de supercap; tot nu toe scheelt dat al gauw een factor zevenhonderd.

Onderzoekers van het Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS-CNRS) van de universiteit van Toulouse en het Institut national de la recherche scientifique in Quebec hebben nu een micro-supercap gemaakt met een opslagcapaciteit in de orde van grootte van die van de microbatterij. Het grote voordeel van een condensator is dat die veel langer meegaat dan een batterij. En dat is precies waar behoefte is bij microsystemen waar verder geen omkijken naar nodig is.

De werking van een condensator is heel eenvoudig: tussen twee platen zit een isolator (electrolyt). Wordt op de platen gelijkspanning aangebracht, dan verzamelt zich op de ene plaat negatieve lading en de andere positieve. Ontlading treedt pas op wanneer de twee platen met elkaar worden verbonden. Aangezien de geladen deeltjes zich alleen in de uiterst dunne laag aan het oppervlak verzamelen, is de opslagcapaciteit vooral te vergroten door het oppervlakte groter te maken en door een materiaal te kiezen dat veel ladingdeeltjes kan vasthouden.

Dat is precies wat de onderzoekers hebben gedaan. Ze maken op een onderlaag eerst een poreuze structuur van goud, die ze vervolgens via opdampen bekleden met ruthenium dioxode, een materiaal met een hoge opslagcapaciteit. Vervolgens worden twee van deze 80 micrometer dikke structuren tegen elkaar gezet, met ertussen een isolatielaag van enkele tienden milimeters.

De gemeten opslagcapaciteit blijkt per vierkante centimeter een factor duizend groter dan de micro-supercaps die tot nu toe werden gebruikt, en komt daarmee in de buurt van de opslagcapaciteit van een batterij.

Batterijen hebben het nadeel dat ze relatief snel verouderen: naar de mate waarin die wordt geladen en ontladen, neemt de opslagcapaciteit af. Supercaps hebben daar nauwelijks last van. Vooral bij microsystemen als sensoren, waar het wisselen van een batterij ondoenlijk is, heeft de nieuwe supercap een groot voordeel.

Lead image: de poreuze, open structuur van de elektrode zorgt voor een grote opslagcapaciteit (foto LAAS-CNRS)