Технология нанолистов для увеличения накопления энергии диэлектрических конденсаторов

Сверхвысокое накопление энергии в перовскитах 2D High-κ. Фото: Минору Осада, Университет Нагои

Исследовательская группа во главе с профессором Минору Осадой из Института материалов и систем устойчивого развития ( IMaSS) Университета Нагоя в Японии в сотрудничестве с NIMS разработала нанолистовое устройство с самой высокой производительностью хранения энергии. Их результаты были опубликованы в Nano Letters.

Инновации в технологии хранения энергии жизненно важны для эффективного использования возобновляемых источников энергии и массового производства электромобилей. Современные технологии хранения энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, имеют длительное время зарядки и проблемы, включая деградацию электролита, срок службы и даже нежелательное воспламенение.

Одной из перспективных альтернатив являются конденсаторы для хранения диэлектрической энергии. Основная конструкция конденсатора представляет собой сэндвич-пленку, состоящую из двух металлических электродов, разделенных твердой диэлектрической пленкой. Диэлектрики — это материалы, которые накапливают энергию с помощью механизма физического смещения заряда, называемого поляризацией.

Когда к конденсатору прикладывается электрическое поле, положительные заряды притягиваются к отрицательному электроду. Отрицательные заряды притягиваются к положительному электроду. Тогда накопление электрической энергии зависит от поляризации диэлектрической пленки путем приложения внешнего электрического поля.

«Диэлектрические конденсаторы имеют много преимуществ, таких как короткое время зарядки всего несколько секунд, длительный срок службы и высокая удельная мощность», — сказал Осада. Однако плотность энергии современных диэлектриков значительно отстает от удовлетворения растущих потребностей в электрической энергии. Повышение плотности энергии поможет диэлектрическим конденсаторам конкурировать с другими накопителями энергии.

Поскольку энергия, хранящаяся в диэлектрическом конденсаторе, связана с величиной поляризации, ключом к достижению высокой плотности энергии является применение как можно более высокого электрического поля к материалу с высокой диэлектрической проницаемостью. Однако существующие материалы ограничены количеством электрического поля, с которым они могут справиться. Группа использовала слои нанолистов из кальция, натрия, ниобия и кислорода с кристаллической структурой перовскита. «Структура перовскита известна как лучшая структура для сегнетоэлектриков, поскольку она обладает отличными диэлектрическими свойствами, такими как высокая поляризация», — объясняет Осада. «Мы обнаружили, что, используя это свойство, сильное электрическое поле может быть применено к диэлектрическим материалам с высокой поляризацией и преобразовано в электростатическую энергию без потерь, достигая самой высокой плотности энергии, когда-либо зарегистрированной».

Выводы исследовательской группы подтвердили, что нанолистовые диэлектрические конденсаторы достигают на 1-2 порядка более высокой плотности энергии при сохранении такой же высокой выходной плотности. Интересно, что диэлектрический конденсатор на основе нанолистов достиг высокой плотности энергии, которая сохраняла его стабильность в течение нескольких циклов использования и была стабильной даже при высоких температурах до 300 ° C.

«Диэлектрические конденсаторы обладают способностью высвобождать накопленную энергию за чрезвычайно короткое время и создавать интенсивное импульсное напряжение или ток. Эти функции полезны во многих импульсно-разрядных и силовых электронных приложениях. В дополнение к гибридным электромобилям, они также будут полезны в мощных ускорителях и мощных микроволновых устройствах».

Подробнее: Hyung-Jun Kim et al, Ultrahigh Energy Storage in 2D High-κ Perovskites, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079 🔗