二维高κ钙钛矿的超高能量存储。资料来源:名古屋大学Minoru Osada
研究人员利用纳米片技术开发了一种先进的介电电容器,提供了前所未有的能量存储密度和稳定性。这一突破将显著提高可再生能源的使用和电动汽车的生产。
介电电容器的突破性发展
由日本名古屋大学领导的一个研究小组创新地应用纳米片技术制造了一种介电电容器。这一发展对先进的电子和电力系统具有重要意义。储能技术的创新对于可再生能源的有效利用和电动汽车的大规模生产至关重要。介质电容器是技术上的重大进步,拥有有史以来最高的能量存储密度。其他有益的特点包括充电时间快,输出高,寿命长,和优越的高温稳定性。
合作及主要发现
该研究小组由名古屋大学材料与可持续性系统研究所(IMaSS)的Minoru Osada教授领导,与NIMS合作。他们共同开发了一种纳米片器件,显示出前所未有的能量存储性能。他们的突破性成果发表在《纳米快报》杂志上。
对储能创新的需求
储能技术的创新对于可再生能源的优化利用和电动汽车的大规模生产至关重要。现有的储能技术,如锂离子电池,具有局限性。这些问题包括充电时间长、电解质降解、寿命缩短、甚至自燃风险等问题。
介电储能电容器:一种有前途的替代品
电介质储能电容器已成为一种很有前途的替代品。这些电容器具有三明治状结构,由两个由固体介电膜隔开的金属电极组成。电介质是一种通过被称为极化的物理电荷位移机制储存能量的材料,它是关键。当电场作用在电容器上时,正电荷和负电荷被吸引到相反的电极上,有利于电能的储存。
Osada指出:“介质电容器具有许多优点,例如充电时间短,只需几秒钟,寿命长,功率密度高。”然而,当前电介质的能量密度明显低于不断增长的电能需求,这意味着需要增强。
纳米片层:创新的关键
储存在电介质电容器中的能量与极化量有关。因此,可以通过对高介电常数材料施加尽可能高的电场来实现高能量密度。然而,现有的材料受到其电场容量的限制。
为了超越这一点,研究小组利用了钙钛矿晶体结构的钙、钠、铌和氧组成的纳米片。Osada解释说:“钙钛矿结构被认为是铁电体的最佳结构,因为它具有优异的介电性能,如高极化。”“我们发现,通过利用这一特性,高电场可以应用于具有高极化的介电材料,并在不损失的情况下转化为静电能,从而实现有史以来最高的能量密度。”
影响及应用
在保持相同的高输出密度的情况下,纳米片介质电容器的能量密度比其前身提高了1-2个数量级。令人兴奋的是,基于纳米片的介电电容器实现了高能量密度,在多次使用循环中保持稳定,即使在高达300°C(572°F)的高温下也保持稳定。
Osada说:“这一成就为介电电容器的发展提供了新的设计指南,并有望应用于利用纳米片高能量密度、高功率密度、短至几秒钟的充电时间、长寿命和高温稳定性等特点的全固态储能设备。”介电电容器具有在极短时间内释放储存能量并产生强烈脉冲电压或电流的能力。这些特性在许多脉冲放电和电力电子应用中是有用的。除了混合动力汽车,它们还可用于大功率加速器和大功率微波设备。”
参考文献:“二维高κ钙钛矿中的超高能量存储”,作者:Hyung-Jun Kim, Shu Morita, Ki-Nam byyun, Yue Shi, Takaaki Taniguchi, Eisuke Yamamoto, Makoto Kobayashi, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki和Minoru Osada, 2023年5月1日,Nano Letters。DOI: 10.1021 / acs.nanolett.3c00079