Исследовательская группа под руководством профессора Минору Осады из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагои в Японии в сотрудничестве с NIMS разработала нанолистовое устройство с самой высокой производительностью накопления энергии, которую когда-либо видели. Их результаты были опубликованы в журнале Nano Letters.
Инновации в технологии накопления энергии жизненно важны для эффективного использования возобновляемых источников энергии и массового производства электромобилей. Современные технологии накопления энергии, такие как литий-ионные аккумуляторы, имеют длительное время зарядки и проблемы, включая деградацию электролита, срок службы и даже нежелательное воспламенение.
Одной из многообещающих альтернатив являются диэлектрические накопители энергии. Основная структура конденсатора представляет собой сэндвич-пленку, состоящую из двух металлических электродов, разделенных сплошной диэлектрической пленкой. Диэлектрики — это материалы, которые накапливают энергию с помощью физического механизма смещения заряда, называемого поляризацией.
Когда к конденсатору прикладывается электрическое поле, положительные заряды притягиваются к отрицательному электроду. Отрицательные заряды притягиваются к положительному электроду. Затем накопление электрической энергии зависит от поляризации диэлектрической пленки путем приложения внешнего электрического поля.
«Диэлектрические конденсаторы обладают многими преимуществами, такими как короткое время зарядки — всего несколько секунд, длительный срок службы и высокая удельная мощность», — сказал Осада. Однако плотность энергии современных диэлектриков значительно ниже, чем требуется для удовлетворения растущих потребностей в электрической энергии. Повышение плотности энергии помогло бы диэлектрическим конденсаторам конкурировать с другими устройствами накопления энергии.
Поскольку энергия, запасенная в диэлектрическом конденсаторе, зависит от величины поляризации, 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 выйти за рамки обычных исследований диэлектриков, 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 может быть приложено 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 обеспечивают на 1-2 порядка более высокую плотность энергии при сохранении такой же высокой выходной плотности. Примечательно, что диэлектрический конденсатор на основе нанолистов 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 рекомендации по проектированию диэлектрических конденсаторов и, как ожидается, будет применяться ко всем твердотельным накопителям энергии, которые используют преимущества высокой плотности энергии, высокой удельной мощности, короткого времени зарядки всего в несколько секунд, длительного срока службы и высокой производительности. температурная 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. В дополнение к гибридным электромобилям они также были бы полезны в мощных ускорителях и мощных микроволновых устройствах».