太陽(yáng)能電池每周7天，每天24小時(shí)發(fā)電，而不僅僅是在陽(yáng)光照射下，具有內(nèi)置電池的移動(dòng)電話可在幾秒鐘內(nèi)充電，并可在兩次充電之間工作數(shù)周，它是第一個(gè)由硅制成的超級(jí)電容器，因此它可以與其供電的微電子電路一起構(gòu)建到硅芯片中。

實(shí)際上，應(yīng)該可以用當(dāng)前一代太陽(yáng)能電池，傳感器，移動(dòng)電話和各種其他機(jī)電設(shè)備中存在的過(guò)量硅來(lái)構(gòu)造這些電池，從而節(jié)省可觀的成本，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的機(jī)械工程助理教授CaryPint說(shuō)“如果你問(wèn)專家用硅制造超級(jí)電容器，他們會(huì)告訴你這是一個(gè)瘋狂的想法，但我們找到了一種簡(jiǎn)單的方法，”而不是像電池那樣在化學(xué)反應(yīng)中存儲(chǔ)能量，“超級(jí)電容”通過(guò)在多孔材料的表面上組裝離子來(lái)存儲(chǔ)電力，結(jié)果，它們傾向于在幾分鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)充電和放電，并且運(yùn)行幾百萬(wàn)次循環(huán)，而不是像電池那樣的幾千次循環(huán)。

這些特性使得由活性炭制成的商用超級(jí)電容器能夠占領(lǐng)一些利基市場(chǎng)，例如將再生制動(dòng)系統(tǒng)捕獲的能量存儲(chǔ)在公共汽車和電動(dòng)車輛上，并提供調(diào)整葉片所需的動(dòng)力脈沖，巨型風(fēng)力渦輪機(jī)改變風(fēng)力條件，超級(jí)電容器仍落后于鋰離子電池的電能存儲(chǔ)能力，因此它們太大而無(wú)法為大多數(shù)消費(fèi)類設(shè)備供電，然而，他們一直在迅速趕上，提高超級(jí)電容器能量密度的研究主要集中在石墨烯和納米管等碳基納米材料上，因?yàn)檫@些裝置在其電極表面上存儲(chǔ)電荷，所以增加其能量密度的方法是增加電極的表面積，這意味著使表面填充納米級(jí)脊和孔，Pint說(shuō)“這種方法面臨的最大挑戰(zhàn)是裝配材料，用任何控制水平構(gòu)建納米級(jí)構(gòu)建模塊中的高性能，功能性設(shè)備已經(jīng)證明是非常具有挑戰(zhàn)性的，當(dāng)它實(shí)現(xiàn)時(shí)很難重復(fù)，”因此，Pint和他的研究團(tuán)隊(duì)，研究生LandonOakes，AndrewWestover和博士后研究員ShahanaChatterjee決定采用一種截然不同的方法：使用多孔硅，一種具有可控和明確定義的納米結(jié)構(gòu)的材料，通過(guò)電化學(xué)蝕刻表面制成硅晶片。

這使他們能夠?yàn)槌?jí)電容器電極創(chuàng)建具有最佳納米結(jié)構(gòu)的表面，但這給他們留下了一個(gè)重大問(wèn)題，硅通常被認(rèn)為不適合用于超級(jí)電容器，因?yàn)樗菀着c電解質(zhì)中的一些化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，這些化學(xué)物質(zhì)提供存儲(chǔ)電荷的離子，憑借增長(zhǎng)碳納米結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，Pint集團(tuán)決定嘗試用碳涂覆多孔硅表面，品普說(shuō)“我們不知道會(huì)發(fā)生什么，通常，研究人員在溫度超過(guò)1400攝氏度的情況下從碳化硅材料中生長(zhǎng)石墨烯，但是在較低的溫度，，600到700攝氏度，我們當(dāng)然沒(méi)想到石墨烯材料的生長(zhǎng)，”當(dāng)研究人員將多孔硅從爐中取出時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)從橙色轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙蚝谏?，?dāng)他們?cè)趶?qiáng)大的掃描電子顯微鏡下檢查它時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它看起來(lái)幾乎與原始材料相同，但它被一層幾納米厚的石墨烯涂層，當(dāng)研究人員測(cè)試涂層材料時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)化學(xué)穩(wěn)定了硅表面，當(dāng)他們用它來(lái)制造超級(jí)電容器時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層與未涂層多孔硅相比，能量密度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，明顯優(yōu)于商用超級(jí)電容器。

石墨烯層用作原子級(jí)薄的保護(hù)涂層，Pint和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種方法不僅限于石墨烯，他說(shuō)“在設(shè)計(jì)多孔材料時(shí)，使用原子薄層材料設(shè)計(jì)表面的能力與控制相結(jié)合，為能量存儲(chǔ)之外的許多不同應(yīng)用開(kāi)辟了機(jī)會(huì)，”Pint說(shuō)“盡管我們實(shí)現(xiàn)了出色的設(shè)備性能，但我們的目標(biāo)并不是創(chuàng)造具有創(chuàng)紀(jì)錄性能的設(shè)備，這是制定綜合儲(chǔ)能路線圖，硅是一種理想的材料，因?yàn)樗俏覀儸F(xiàn)代技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)，此外，現(xiàn)有器件中的大多數(shù)硅仍未使用，因?yàn)樯a(chǎn)薄硅晶片非常昂貴且浪費(fèi)，”Pint的團(tuán)隊(duì)目前正在使用這種方法來(lái)開(kāi)發(fā)能量存儲(chǔ)，該能量存儲(chǔ)可以在多余的材料中或在太陽(yáng)能電池和傳感器的未使用的背面上形成，超級(jí)電容器將存儲(chǔ)電池在中午產(chǎn)生的過(guò)剩電量，并在需求在下午達(dá)到峰值時(shí)釋放，Pint說(shuō)“在現(xiàn)代環(huán)境中定義我們的所有東西都需要電力，我們可以將電力存儲(chǔ)整合到現(xiàn)有材料和設(shè)備中，它們將變得越來(lái)越緊湊和高效。”