Japonya'daki Nagoya Üniversitesi, Sürdürülebilirlik için Malzeme ve Sistemler Enstitüsü'nden (IMaSS) Profesör Minoru Osada liderliğindeki bir araştırma grubu, NIMS ile işbirliği içinde, şimdiye kadar görülen en yüksek enerji depolama performansına sahip bir nanotabaka cihazı geliştirdi. Onların sonuçları yayınlandı Nano Letters. 

Enerji depolama teknolojisindeki yenilikler, yenilenebilir enerjinin etkin kullanımı ve elektrikli araçların seri üretimi için hayati önem taşıyor. Lityum-iyon piller gibi mevcut enerji depolama teknolojisi, uzun şarj sürelerine ve elektrolit bozulması, kullanım ömrü ve hatta istenmeyen tutuşma gibi sorunlara sahiptir.  

Umut verici bir alternatif, dielektrik enerji depolama kapasitörleridir. Kapasitörün temel yapısı, katı bir dielektrik filmle ayrılmış iki metal elektrottan yapılmış sandviç benzeri bir filmdir. Dielektrikler, polarizasyon adı verilen fiziksel bir yük yer değiştirme mekanizması yoluyla enerji depolayan malzemelerdir. Kondansatöre bir elektrik alanı uygulandığında, pozitif yükler negatif elektroda doğru çekilir. Negatif yükler pozitif elektroda doğru çekilir. Daha sonra, elektrik enerjisinin depolanması, bir dış elektrik alanı uygulanarak dielektrik filmin polarizasyonuna bağlıdır.  

Osada, "Dielektrik kapasitörlerin yalnızca birkaç saniyelik kısa şarj süresi, uzun ömür ve yüksek güç yoğunluğu gibi birçok avantajı var" dedi. Bununla birlikte, mevcut dielektriklerin enerji yoğunluğu, elektrik enerjisi için artan talepleri karşılamanın önemli ölçüde gerisinde kalmaktadır. Enerji yoğunluğunun arttırılması, dielektrik kapasitörlerin diğer enerji depolama cihazlarıyla rekabet etmesine yardımcı olacaktır.  

Bir dielektrik kapasitörde depolanan enerji polarizasyon miktarıyla ilişkili olduğundan, yüksek enerji yoğunluğu elde etmenin anahtarı, yüksek bir dielektrik sabiti malzemeye mümkün olduğunca yüksek bir elektrik alanı uygulamaktır. Bununla birlikte, mevcut malzemeler kaldırabilecekleri elektrik alan miktarı ile sınırlıdır.  

Geleneksel dielektrik araştırmalarının ötesine geçmek için grup, perovskit kristal yapıya sahip kalsiyum, sodyum, niyobyum ve oksijenden yapılmış nano tabaka katmanları kullandı. Osada, "Perovskite yapısı, yüksek polarizasyon gibi mükemmel dielektrik özelliklere sahip olduğu için ferroelektrikler için en iyi yapı olarak biliniyor" diye açıklıyor. "Bu özelliği kullanarak, yüksek polarizasyona sahip dielektrik malzemelere yüksek bir elektrik alanının uygulanabileceğini ve kayıp olmadan elektrostatik enerjiye dönüştürülebileceğini ve şimdiye kadar kaydedilen en yüksek enerji yoğunluğuna ulaşılabileceğini bulduk." 

Araştırma grubunun bulguları, nanotabaka dielektrik kapasitörlerin aynı yüksek çıkış yoğunluğunu korurken 1-2 kat daha yüksek enerji yoğunluğu elde ettiğini doğruladı. Heyecan verici bir şekilde, nano tabaka bazlı dielektrik kapasitör, birden çok kullanım döngüsü boyunca kararlılığını koruyan ve 300°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda bile kararlı olan yüksek bir enerji yoğunluğu elde etti. 

"Bu başarı, dielektrik kapasitörlerin geliştirilmesi için yeni tasarım yönergeleri sağlıyor ve nanotabakanın yüksek enerji yoğunluğu, yüksek güç yoğunluğu, kısa şarj süresi gibi özelliklerinden yararlanan tamamen katı hal enerji depolama cihazlarına uygulanması bekleniyor. birkaç saniye, uzun ömür ve yüksek sıcaklık kararlılığı, ”dedi Osada. "Dielektrik kapasitörler, depolanan enerjiyi son derece kısa sürede serbest bırakma ve yoğun bir darbeli voltaj veya akım oluşturma yeteneğine sahiptir. Bu özellikler, birçok darbeli deşarj ve güç elektroniği uygulamalarında kullanışlıdır. Hibrit elektrikli araçlara ek olarak, yüksek güçlü hızlandırıcılarda ve yüksek güçlü mikrodalga cihazlarda da faydalı olacaklar.”