Учёные из Японии создали усовершенствованный диэлектрический конденсатор с использованием технологии нанолистов, который позволяет хранить энергию с невиданной плотностью и стабильностью. Это открытие может значительно повысить эффективность использования возобновляемых источников энергии и производства электромобилей.
Диэлектрический конденсатор – это устройство, которое хранит энергию в виде электрического поля между двумя металлическими электродами, разделенными твердым диэлектриком. Диэлектрики – это материалы, которые обладают свойством поляризации, то есть способностью изменять распределение зарядов под действием внешнего электрического поля. Чем больше поляризация диэлектрика, тем больше энергии можно хранить в конденсаторе.
Диэлектрические конденсаторы имеют ряд преимуществ перед другими технологиями хранения энергии, такими как литий-ионные батареи. Они обладают коротким временем зарядки (всего несколько секунд), долгим сроком службы и высокой мощностью. Однако, существующие диэлектрические конденсаторы имеют низкую плотность энергии, то есть мало энергии приходится на единицу объема или массы.
Для повышения плотности энергии необходимо использовать диэлектрики с высокой поляризацией и высокой прочностью на пробой, то есть способностью выдерживать большие напряжения без разрушения. Существующие материалы не могут одновременно обладать этими качествами.
Группа исследователей под руководством профессора Минору Осада из Института материалов и систем для устойчивости (IMaSS) Нагояского университета в сотрудничестве с Национальным институтом науки о материалах (NIMS) решила эту проблему с помощью технологии нанолистов.
Нанолисты – это тонкие слои материала толщиной в несколько нанометров (один нанометр равен миллиардной части метра). Используя нанолисты из кальция, натрия, ниобия и кислорода с перовскитной кристаллической структурой, исследователи создали диэлектрический конденсатор с рекордной плотностью энергии.
«Перовскитная структура известна как лучшая структура для ферроэлектриков, так как она имеет отличные диэлектрические свойства, такие как высокая поляризация, – объясняет Осада. – Мы обнаружили, что используя это свойство, можно приложить высокое электрическое поле к диэлектрическим материалам с высокой поляризацией и преобразовать его в электростатическую энергию без потерь, достигая самой высокой плотности энергии, когда-либо записанной».
Нанолистовый диэлектрический конденсатор показал плотность энергии на 1-2 порядка выше, чем его предшественники, при этом сохраняя ту же высокую мощность. Кроме того, нанолистовый конденсатор обладал высокой стабильностью при многократном использовании и при высоких температурах до 300°C.
«Это достижение предоставляет новые руководящие принципы для разработки диэлектрических конденсаторов и ожидается, что оно будет применимо к твердотельным устройствам хранения энергии», – заключает Осада.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.
