Технология Nanosheet разработана для повышения эффективности диэлектрических конденсаторов для хранения энергии

Исследовательская группа под руководством профессора Минору Осада из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Нагойского университета в Японии в сотрудничестве с NIMS разработала устройство из нанолистов с самой высокой из когда-либо существовавших характеристик хранения энергии.Их результаты были опубликованыв Нано Буквах.

Инновации в технологиях 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 возгорание.

Одной из многообещающих альтернатив являются диэлектрические конденсаторы для хранения энергии. Основная структура конденсатора представляет собой сэндвич-пленку, состоящую из двух металлических электродов, разделенных твердой диэлектрической пленкой. Диэлектрики — это материалы, которые сохраняют энергию посредством физического механизма смещения заряда, называемого поляризацией. Когда к конденсатору прикладывается электрическое поле, положительные заряды притягиваются к отрицательному электроду. Отрицательные заряды притягиваются к положительному электроду. Тогда сохранение электрической энергии зависит от поляризации диэлектрической пленки за счет приложения внешнего электрического поля.

«Диэлектрические конденсаторы имеют множество преимуществ, таких как короткое время зарядки (всего несколько секунд), длительный срок службы и высокая плотность мощности», — сказал Осада. Однако плотность энергии современных диэлектриков существенно отстает от удовлетворения растущих потребностей в электрической энергии. Повышение плотности энергии поможет диэлектрическим конденсаторам конкурировать с другими устройствами хранения энергии.

Поскольку энергия, запасенная в диэлектрическом конденсаторе, зависит от степени поляризации, ключом к достижению высокой плотности энергии является приложение как можно более сильного электрического поля к материалу с высокой диэлектрической постоянной. Однако существующие материалы ограничены величиной электрического поля, с которым они могут справиться.

Чтобы выйти за рамки традиционных диэлектрических исследований, 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 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».

Результаты исследовательской группы подтвердили, что диэлектрические конденсаторы с нанолистами обеспечивают на один-два порядка более высокую плотность энергии, сохраняя 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.

«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 всего лишь несколько секунд, долгий срок службы и стабильность при высоких температурах», — 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».

- Этот пресс-релиз первоначально был опубликован на веб-сайте Университета Нагои.