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.
