По словам учёных, новая структура материала может произвести революцию в накоплении энергии, позволив конденсаторам в электромобилях или других устройствах хранить энергию гораздо дольше.
Исследователи разработали конденсаторы из новых «гетероструктур» с новым свойством, которое снижает скорость рассеивания энергии, не влияя на их способность быстро заряжаться.
Новое открытие, которое, по словам экспертов, было непреднамеренным и основано на новых разработках в области электроники, может стать основой для увеличения времени автономной работы потребительских устройств, таких как ноутбуки или смартфоны, а также большей гибкости в накоплении энергии в масштабе сети. Учёные описали свои выводы в исследовании, опубликованном 18 апреля в журнале Science.
И хотя батареи могут хранить энергию в течение длительного периода времени, для их зарядки и разрядки требуется много времени. Именно здесь на помощь приходят конденсаторы — они накапливают электроэнергию в электрическом поле, которое можно быстро заряжать и разряжать для быстрого доступа к источнику питания по мере необходимости.
Смартфоны, например, обычно питаются от аккумулятора, но получают энергию от конденсаторов, когда требуется питание коротким импульсом — например, для вспышки камеры. Каждый смартфон обычно имеет сотни конденсаторов.
В некоторых конденсаторах для накопления энергии используются сегнетоэлектрические материалы. Эти материалы имеют естественную поляризацию, которую можно изменить подачей напряжения. Когда поляризация меняется на противоположную, она остаётся в конденсаторе как «память», даже после снятия напряжения.
Подача питания изменяет поляризацию этих материалов на противоположную, и они могут сохранять эту поляризацию даже после отключения питания. Однако, как правило, они плохо сохраняют энергию в течение более длительного периода по сравнению с батареями.
Новая структура обеспечивает физический и химический баланс между проводимостью и непроводимостью, что позволяет ей более эффективно удерживать энергию. Случайно исследователи обнаружили, что крошечный зазор в сердечнике увеличивает время релаксации — термин, используемый для описания периода, в течение которого конденсатор теряет заряд.
В каждой из гетероструктур 2D и 3D материалы расположены слоями, как листы макаронных изделий в лазанье, на атомарном уровне, с химическими и нехимическими связями между каждым слоем. Максимальная толщина общей структуры составляет всего 30 нанометров – примерно в 30 тыс. раз тоньше человеческого волоса.
Исследователи заявили, что эта технология может обеспечить плотность энергии в 19 раз выше, чем у нынешних конденсаторов. Команда также сообщила об эффективности более 90%, что является выдающимся результатом в этой области. Согласно исследованию, опубликованному в июле 2023 года в журнале Materials, сопоставимый КПД новых сегнетоэлектрических конденсаторов составляет 86,95%.
«Мы обнаружили, что время диэлектрической релаксации может быть модулировано или вызвано очень небольшим зазором в структуре материала, — сказал в своем заявлении Санг-Хун Бэ (Sang-Hoon Bae), доцент кафедры машиностроения и материаловедения Вашингтонского университета. — Это новое физическое явление — то, чего мы раньше не видели. Оно позволяет нам манипулировать диэлектрическим материалом таким образом, чтобы он не поляризовался и не терял способность заряжать.»
Если воспроизвести эту структуру в масштабе, она могла бы привести к изменению способа хранения энергии и доступа к ней, поскольку она позволила бы получать доступ к энергии очень быстро по требованию, без ущерба для стабильности долгосрочного хранения. При более высокой плотности энергии конденсаторы следующего поколения могли бы обеспечить более широкое использование быстрозаряжаемых конденсаторов для устройств, требующих длительного хранения, таких как электромобили. Конденсаторы также могут обеспечивать быструю подачу электроэнергии по требованию для сетей или частных промышленных предприятий.
