Записывать

Aug 18, 2023

Автор: Университет Нагои, 18 июля 2023 г.

Хранение сверхвысокой энергии в двумерных перовскитах с высоким κ. Фото: Минору Осада, Университет Нагои.

Исследователи разработали усовершенствованный диэлектрический конденсатор с использованием технологии нанолистов, обеспечивающий беспрецедентную плотность и стабильность хранения энергии. Этот прорыв может значительно улучшить использование возобновляемых источников энергии и производство электромобилей.

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Университет Нагои в Японии применил инновационную технологию нанолистов для создания диэлектрического конденсатора. Это развитие имеет важные последствия для передовых электронных и электроэнергетических систем. Инновации в технологиях хранения энергии жизненно важны для эффективного использования возобновляемых источников энергии и массового производства электромобилей. Диэлектрический конденсатор является крупным достижением в технологии, поскольку он может похвастаться самой высокой плотностью накопления энергии, когда-либо зарегистрированной. Другие полезные функции включают быстрое время зарядки, высокую производительность, долговечность и превосходную стабильность при высоких температурах.

Исследовательская группа под руководством профессора Минору Осада из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагои сотрудничала с NIMS. Вместе они разработали устройство из нанолистов, демонстрирующее беспрецедентную эффективность хранения энергии. Их новаторские результаты были опубликованы в журнале Nano Letters.

Инновации в технологиях хранения энергии имеют решающее значение для оптимального использования возобновляемых источников энергии и массового производства электромобилей. Существующие технологии хранения энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, имеют ограничения. К ним относятся длительное время зарядки и такие проблемы, как деградация электролита, сокращение срока службы и даже риск самовозгорания.

Диэлектрические конденсаторы для хранения энергии стали многообещающей альтернативой. Эти конденсаторы имеют сэндвич-подобную структуру, состоящую из двух металлических электродов, разделенных твердой диэлектрической пленкой. Ключевое значение имеют диэлектрики, материалы, которые накапливают энергию посредством физического механизма смещения заряда, известного как поляризация. Когда к конденсатору прикладывается электрическое поле, положительные и отрицательные заряды притягиваются к противоположным электродам, что способствует сохранению электрической энергии.

«Диэлектрические конденсаторы имеют множество преимуществ, таких как короткое время зарядки (всего несколько секунд), длительный срок службы и высокая плотность мощности», — отметил Осада. Однако плотность энергии современных диэлектриков значительно ниже, чем растущие потребности в электроэнергии, что предполагает необходимость их усовершенствования.

Энергия, запасенная в диэлектрическом конденсаторе, связана с степенью поляризации. Следовательно, высокая плотность энергии может быть достигнута путем приложения как можно более сильного электрического поля к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью. Однако существующие материалы ограничены емкостью электрического поля.

Чтобы превзойти это, группа использовала нанолисты, состоящие из кальция, натрия, ниобия и кислорода с кристаллической структурой перовскита. «Структура перовскита известна как лучшая структура для сегнетоэлектриков, поскольку она обладает превосходными диэлектрическими свойствами, такими как высокая поляризация», — объясняет Осада. «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».

Конденсаторы с нанолистовым диэлектриком показали плотность энергии на 1-2 порядка выше, чем у их предшественников, сохранив при этом такую ​​же высокую выходную плотность. Удивительно, но диэлектрический конденсатор на основе нанолиста достиг высокой плотности энергии, которая сохраняла свою стабильность в течение нескольких циклов использования и была стабильной даже при высоких температурах до 300°C (572°F).