Mod en kondensator med ultrahøj energitæthed

Kondensatorer, der hurtigt lagrer og frigiver elektrisk energi, er nøglekomponenter i moderne elektronik og strømsystemer. Imidlertid, de mest brugte har lave energitætheder sammenlignet med andre lagringssystemer som batterier eller brændselsceller, som igen ikke kan aflade og genoplade hurtigt uden at lide skade.

Nu, som rapporteret i journalen Videnskab , forskere har fundet det bedste fra begge verdener. Ved at introducere isolerede defekter til en type kommercielt tilgængelig tynd film i et ligetil efterbehandlingstrin, et hold ledet af forskere ved Department of Energy's (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har vist, at et almindeligt materiale kan forarbejdes til et top-performende energilagringsmateriale.

Forskningen er støttet af Materials Project, en online database med åben adgang, der praktisk talt leverer den største samling af materialeegenskaber til videnskabsmænd over hele kloden. I dag, Materialeprojektet kombinerer både beregningsmæssige og eksperimentelle indsatser for at, blandt andre mål, fremskynde design af nye funktionelle materialer. Dette omfatter forståelse af måder at manipulere kendte materialer på på måder, der forbedrer deres ydeevne.

Voksende krav til omkostningsreduktion og enhedsminiaturisering har drevet et skub i retning af udvikling af kondensatorer med høj energitæthed. Kondensatorer bruges almindeligvis i elektroniske enheder til at opretholde strømforsyningen, mens et batteri oplades. Det nye materiale udviklet på Berkeley Lab kunne i sidste ende kombinere effektiviteten, pålidelighed, og robusthed af kondensatorer med energilagringskapaciteter af større batterier. Applikationer omfatter personlige elektroniske enheder, bærbar teknologi, og bilstereosystemer.

Materialet er baseret på en såkaldt "relaxor ferroelektrisk, " som er et keramisk materiale, der gennemgår en hurtig mekanisk eller elektronisk reaktion på et eksternt elektrisk felt og almindeligvis bruges som en kondensator i applikationer som ultralyd, tryksensorer, og spændingsgeneratorer.

Det påførte felt driver ændringer i orienteringen af ​​elektronerne i materialet. På samme tid, feltet driver en ændring i den energi, der er lagret i materialerne, hvilket gør dem til en god kandidat til brug ud over en lille kondensator. Problemet, der skal løses, er, hvordan man optimerer det ferroelektriske, så det kan oplades til høje spændinger og aflades meget hurtigt - milliarder af gange eller mere - uden at pådrage sig skader, der ville gøre det uegnet til langvarig brug i applikationer som computere og køretøjer .

Forskere i laboratoriet i Lane Martin, en fakultetsforsker i Materials Sciences Division (MSD) ved Berkeley Lab og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of California, Berkeley, opnåede dette ved at introducere lokale defekter, der gjorde det muligt for den at modstå større spændinger.

"Du har sikkert oplevet afslappende ferroelektrik på en gasgrill. Knappen, der tænder grillen, betjener en fjederbelastet hammer, der slår en piezoelektrisk krystal, som er en type afslapningsmiddel, og skaber en spænding, der antænder gassen, " forklarede Martin. "Vi har vist, at de også kan laves til nogle af de bedste materialer til energilagringsapplikationer."

Anbringelse af et ferroelektrisk materiale mellem to elektroder og forøgelse af det elektriske felt medfører, at ladningen opbygges. Under udskrivelsen, mængden af ​​tilgængelig energi afhænger af, hvor stærkt materialets elektroner orienterer sig, eller blive polariseret, som reaktion på det elektriske felt. Imidlertid, de fleste sådanne materialer kan typisk ikke modstå et stort elektrisk felt, før materialet svigter. Den grundlæggende udfordring, derfor, er at finde en måde at øge det maksimalt mulige elektriske felt uden at ofre polarisationen.

Forskerne vendte sig mod en tilgang, som de tidligere havde udviklet til at "slukke" ledningsevnen i et materiale. Ved at bombardere en tynd film med højenergiladede partikler kendt som ioner, de var i stand til at indføre isolerede defekter. Defekterne fanger materialets elektroner, forhindrer deres bevægelse og reducerer filmens ledningsevne i størrelsesordener.

"I ferroelektrik, som formodes at være isolatorer, at have ladning, der siver gennem dem, er et stort problem. Ved at bombardere ferroelektrik med stråler af højenergi-ioner, vi vidste, at vi kunne gøre dem til bedre isolatorer, " sagde Jieun Kim, en doktorgradsforsker i Martins gruppe og hovedforfatter på papiret. "Så spurgte vi, kunne vi bruge den samme tilgang til at få en relaxor ferroelektrisk til at modstå større spændinger og elektriske felter, før den katastrofalt fejler?"

Svaret viste sig at være "ja". Kim fremstillede først tynde film af et prototypisk relaxor-ferroelektrisk materiale kaldet bly magnesium niobite-bly titanat. Derefter, han målrettede filmene med højenergi-heliumioner på Ion-Beam Analysis Facility, der drives af Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division på Berkeley Lab. Heliumionerne slog målioner fra deres steder for at skabe punktdefekter. Målinger viste, at den ionbombardede film havde mere end dobbelt så stor energilagringstæthed som tidligere rapporterede værdier og 50 procent højere effektivitet.

"Vi forventede oprindeligt, at virkningerne hovedsageligt ville komme fra at reducere lækagen med isolerede punktdefekter. vi indså, at skiftet i forholdet mellem polarisering og elektrisk felt på grund af nogle af disse defekter var lige så vigtigt, " sagde Martin. "Dette skift betyder, at det kræver større og større påførte spændinger for at skabe den maksimale ændring i polarisering." Resultatet tyder på, at ionbombardement kan hjælpe med at overvinde afvejningen mellem at være meget polariserbar og let brydbar.

Den samme ionstråletilgang kunne også forbedre andre dielektriske materialer for at forbedre energilagring, og giver forskere et værktøj til at reparere problemer i allerede syntetiserede materialer. "Det ville være fantastisk at se folk bruge disse ion-stråle-tilgange til at 'helbrede' materialer i enheder efter, at deres syntese eller produktionsproces ikke gik perfekt, " sagde Kim.