_ Noul material supraalimentează inovația în domeniul electrostatic stocarea energiei

Condensatorii electrostatici joacă un rol crucial în electronica modernă. Acestea permit încărcarea și descărcarea ultrarapidă, oferind stocare de energie și putere pentru dispozitive, de la smartphone-uri, laptopuri și routere până la dispozitive medicale, electronice auto și echipamente industriale. Cu toate acestea, materialele feroelectrice utilizate în condensatoare au pierderi semnificative de energie datorită proprietăților lor materiale, ceea ce face dificilă furnizarea unei capacități mari de stocare a energiei.

Sang-Hoon Bae, profesor asistent de inginerie mecanică și știință a materialelor în McKelvey School of Engineering de la Universitatea Washington din St. Louis, a abordat această provocare de lungă durată în implementarea materialelor feroelectrice pentru aplicații de stocare a energiei.

Într-un studiu publicat pe 18 aprilie în Science, Bae și colaboratorii săi, inclusiv Rohan Mishra, profesor asociat de inginerie mecanică și știința materialelor, și Chuan Wang, profesor asociat de inginerie electrică și sisteme, ambii la WashU, și Frances Ross, profesor TDK în știința materialelor și inginerie la MIT, au introdus o abordare pentru controlul relaxării timpul — o proprietate materială internă care descrie cât timp durează încărcarea să se disipeze sau să se descompună — a condensatoarelor feroelectrice care utilizează materiale 2D.

Lucrând cu Bae, studentul doctorat Justin S. Kim și cercetătorul postdoctoral Sangmoon Han au dezvoltat un roman Heterostructuri 2D/3D/2D care pot minimiza pierderile de energie, păstrând în același timp proprietățile materiale avantajoase ale materialelor 3D feroelectrice.

Abordarea lor combină materialele 2D și 3D în straturi subțiri atomice cu legături chimice și nechimice atent proiectate între fiecare strat. . Un miez 3D foarte subțire este inserat între două straturi 2D exterioare pentru a crea o stivă de numai aproximativ 30 de nanometri grosime. Aceasta este aproximativ o zecime din dimensiunea unei particule virale medii.

„Am creat o nouă structură bazată pe inovațiile pe care le-am făcut deja în laboratorul meu, implicând materiale 2D”, a spus Bae. „Inițial, nu ne-am concentrat pe stocarea energiei, dar în timpul explorării proprietăților materialelor, am găsit un nou fenomen fizic despre care ne-am dat seama că ar putea fi aplicat stocării de energie și care a fost atât foarte interesant, cât și potențial mult mai util.”

Heterostructurile 2D/3D/2D sunt fin concepute pentru a sta în punctul favorabil dintre conductivitate și neconductivitate, unde materialele semiconductoare au proprietăți electrice optime pentru stocarea energiei. Cu acest design, Bae și colaboratorii săi au raportat o densitate de energie de până la 19 ori mai mare decât condensatoarele feroelectrice disponibile comercial și au obținut o eficiență de peste 90%, ceea ce este, de asemenea, fără precedent.

„Am descoperit că relaxarea dielectrică. timpul poate fi modulat sau indus de un decalaj foarte mic în structura materialului", a explicat Bae. „Acel nou fenomen fizic este ceva ce nu mai văzusem până acum. Ne permite să manipulăm materialul dielectric în așa fel încât să nu se polarizeze și să nu piardă capacitatea de încărcare.”

În timp ce lumea se luptă cu imperativ de tranziție către componentele electronice de ultimă generație, noul material heterostructur al lui Bae deschide calea pentru dispozitive electronice de înaltă performanță, cuprinzând electronice de mare putere, sisteme de comunicații fără fir de înaltă frecvență și cipuri de circuite integrate. Aceste progrese sunt deosebit de cruciale în sectoarele care necesită soluții robuste de management al energiei, cum ar fi vehiculele electrice și dezvoltarea infrastructurii.

„În principiu, această structură pe care am dezvoltat-o ​​este un material electronic nou”, a spus Bae.

„Nu suntem încă 100% optimi, dar deja depășim ceea ce fac alte laboratoare. Următorii noștri pași vor fi să facem această structură de material și mai bună, astfel încât să putem satisface nevoia de ultrarapidă. Încărcare și descărcare și densități foarte mari de energie în condensatoare Trebuie să putem face asta fără a pierde capacitatea de stocare în timpul încărcărilor repetate pentru a vedea acest material utilizat pe scară largă în electronice mari, cum ar fi vehiculele electrice și alte tehnologii ecologice în curs de dezvoltare.”

(Fluierul)