Nyt materiale overlader innovation inden for elektrostatisk energilagring

Elektrostatiske kondensatorer spiller en afgørende rolle i moderne elektronik. De muliggør ultrahurtig opladning og afladning og giver energilagring og strøm til enheder lige fra smartphones, bærbare computere og routere til medicinsk udstyr, bilelektronik og industrielt udstyr. Imidlertid har de ferroelektriske materialer, der anvendes i kondensatorer, betydeligt energitab på grund af deres materialeegenskaber, hvilket gør det vanskeligt at levere høj energilagringskapacitet.

Sang-Hoon Bae, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, har adresseret denne langvarige udfordring med at implementere ferroelektriske materialer til energilagringsapplikationer.

I en undersøgelse offentliggjort 18. april i Science , Bae og hans samarbejdspartnere, herunder Rohan Mishra, lektor i maskinteknik og materialevidenskab, og Chuan Wang, lektor i elektro- og systemteknik, begge ved WashU, og Frances Ross, TDK-professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT, introducerede en tilgang til at kontrollere afslapningstiden - en intern materialeegenskab, der beskriver, hvor lang tid det tager for ladning at spredes eller henfalde - af ferroelektriske kondensatorer ved hjælp af 2D-materialer.

I samarbejde med Bae udviklede ph.d.-studerende Justin S. Kim og postdoc-forsker Sangmoon Han nye 2D/3D/2D-heterostrukturer, der kan minimere energitab og samtidig bevare de fordelagtige materialeegenskaber ved ferroelektriske 3D-materialer.

Deres tilgang sammensætter 2D- og 3D-materialer i atomisk tynde lag med omhyggeligt konstruerede kemiske og ikke-kemiske bindinger mellem hvert lag. En meget tynd 3D-kerne er indsat mellem to ydre 2D-lag for at skabe en stak kun omkring 30 nanometer tyk. Det er omkring en tiendedel af størrelsen af ​​en gennemsnitlig viruspartikel.

"Vi skabte en ny struktur baseret på de innovationer, vi allerede har lavet i mit laboratorium, der involverer 2D-materialer," sagde Bae. "I begyndelsen var vi ikke fokuseret på energilagring, men under vores udforskning af materialeegenskaber fandt vi et nyt fysisk fænomen, som vi indså kunne anvendes til energilagring, og det var både meget interessant og potentielt meget mere nyttigt."

2D/3D/2D heterostrukturerne er fint udformet til at sidde i det søde sted mellem ledningsevne og ikke-konduktivitet, hvor halvledende materialer har optimale elektriske egenskaber til energilagring. Med dette design rapporterede Bae og hans samarbejdspartnere en energitæthed op til 19 gange højere end kommercielt tilgængelige ferroelektriske kondensatorer, og de opnåede en effektivitet på over 90 %, hvilket også er uden fortilfælde.

"Vi fandt ud af, at dielektrisk afslapningstid kan moduleres eller induceres af et meget lille hul i materialets struktur," forklarede Bae. "Det nye fysiske fænomen er noget, vi ikke havde set før. Det gør os i stand til at manipulere dielektrisk materiale på en sådan måde, at det ikke polariserer og mister ladeevnen."

Mens verden kæmper med nødvendigheden af ​​at gå over til næste generations elektronikkomponenter, baner Baes nye heterostrukturmateriale vejen for højtydende elektroniske enheder, der omfatter højeffektelektronik, højfrekvente trådløse kommunikationssystemer og integrerede kredsløbschips. Disse fremskridt er særligt afgørende i sektorer, der kræver robuste strømstyringsløsninger, såsom elektriske køretøjer og udvikling af infrastruktur.

"Grundlæggende er denne struktur, vi har udviklet, et nyt elektronisk materiale," sagde Bae.

"Vi er endnu ikke 100 % optimale, men allerede nu udkonkurrerer vi, hvad andre laboratorier gør. Vores næste skridt bliver at gøre denne materialestruktur endnu bedre, så vi kan imødekomme behovet for ultrahurtig op- og afladning og meget høj energi tætheder i kondensatorer Vi skal være i stand til at gøre det uden at miste lagerkapacitet over gentagne opladninger for at se dette materiale bredt brugt i store elektronik, såsom elektriske køretøjer og andre grønne teknologier under udvikling."

Flere oplysninger: Sangmoon Han et al., Høj energitæthed i kunstige heterostrukturer gennem afslapningstidsmodulation, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2835. www.science.org/doi/10.1126/science.adl2835

Journaloplysninger: Videnskab , Naturmaterialer

Leveret af Washington University i St. Louis