Технология Nanosheet повышает плотность энергии диэлектрических конденсаторов

Jul 25, 2023

Устройство из нанолистов с самой высокой эффективностью хранения энергии из когда-либо существовавших.

Доступные и гибкие технологии хранения энергии имеют жизненно важное значение для эффективного использования возобновляемых источников энергии, позволяя чистой энергии найти широкое применение в новых сферах. Современные технологии хранения энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, сталкиваются с такими проблемами, как длительное время зарядки, деградация электролита, срок службы и даже нежелательное возгорание.

Одной из многообещающих альтернатив являются диэлектрические конденсаторы для хранения энергии, которые имеют множество преимуществ, таких как короткое время зарядки (всего несколько секунд), длительный срок службы и высокая плотность мощности. Таким образом, они могут стать идеальными и безопасными устройствами хранения энергии. Однако современные диэлектрические конденсаторы имеют гораздо меньшую плотность энергии по сравнению с другими устройствами хранения энергии, такими как батареи и суперконденсаторы.

Теперь исследовательская группа во главе с Нагойским университетом в Японии в сотрудничестве с NIMS использовала технологию нанолистов для разработки диэлектрического конденсатора с самой высокой эффективностью хранения энергии, которую когда-либо видели.

Количество электрической энергии, которую может хранить диэлектрический конденсатор, зависит от степени поляризации. Таким образом, ключом к достижению высокой плотности энергии является приложение как можно более сильного электрического поля к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью. Однако существующие материалы ограничены величиной электрического поля, с которым они могут справиться.

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали слои нанолистов из кальция, натрия, ниобия и кислорода с кристаллической структурой перовскита. Отдельные нанолисты обладают сверхвысокой диэлектрической прочностью даже в монослойной форме, превосходящей прочность обычных диэлектрических материалов. Многослойные конденсаторы из нанолистов обладают сверхвысокой плотностью энергии, высокой эффективностью, превосходной надежностью и температурной стабильностью.

«Структура перовскита известна как лучшая структура для сегнетоэлектриков, поскольку она обладает превосходными диэлектрическими свойствами, такими как высокая поляризация», — объясняет профессор Минору Осада из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагои. «Мы обнаружили, что, используя это свойство, сильное электрическое поле можно приложить к диэлектрическим материалам с высокой поляризацией и преобразовать в электростатическую энергию без потерь, достигнув самой высокой плотности энергии, когда-либо зарегистрированной».

Результаты исследовательской группы подтверждают, что плотность энергии нанолистового диэлектрического конденсатора увеличилась в 1-2 раза при сохранении такой же высокой выходной плотности. Кроме того, диэлектрические конденсаторы на основе нанослоев достигли высокой плотности энергии, которая сохраняла свою стабильность в течение нескольких циклов использования, даже при температурах до 300°C.

«Это достижение дает новые руководящие принципы для разработки диэлектрических конденсаторов и, как ожидается, будет применяться к полностью твердотельным устройствам хранения энергии, которые используют преимущества таких особенностей нанолиста, как высокая плотность энергии, высокая плотность мощности, короткое время зарядки, составляющее минимальное время зарядки. всего несколько секунд, долгий срок службы и высокотемпературная стабильность», — сказал Осада.

«Диэлектрические конденсаторы обладают способностью высвобождать накопленную энергию за чрезвычайно короткое время и создавать интенсивное импульсное напряжение или ток. Эти функции полезны во многих приложениях импульсного разряда и силовой электроники. Помимо гибридных электромобилей, они также будут полезны в мощных ускорителях и мощных микроволновых устройствах».

Ссылка на журнал: