Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις ανέπτυξαν ένα νέο υλικό που ενισχύει την ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτροστατικής ενέργειας . Το υλικό αποτελείται από τεχνητές ετεροδομές κατασκευασμένες από ανεξάρτητες μεμβράνες 2D και 3D, οι οποίες έχουν ενεργειακή πυκνότητα έως και 19 φορές μεγαλύτερη από τους εμπορικά διαθέσιμους πυκνωτές. Αυτό θα μας επιτρέψει να κατασκευάσουμε εξαιρετικά καινοτόμους πυκνωτές και να αλλάξουμε τον τρόπο λειτουργίας των ηλεκτρονικών. Επικεφαλής της έρευνας είναι ο καθηγητής Sang-Hoon Bae που περιέγραψε αυτό το νέο υλικό στην Science .
Οι ηλεκτροστατικοί πυκνωτές παίζουν κρίσιμο ρόλο στα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Επιτρέπουν πολύ γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση, παρέχοντας αποθήκευση ενέργειας και ισχύος για συσκευές που κυμαίνονται από smartphone, φορητούς υπολογιστές και δρομολογητές έως ιατρικές συσκευές, ηλεκτρονικά αυτοκίνητα και βιομηχανικό εξοπλισμό. Η λειτουργία τους είναι αφενός να φιλτράρουν και να σταθεροποιούν τα ηλεκτρικά σήματα, εξαλείφοντας τις διαταραχές, και αφετέρου να συσσωρεύουν ενέργεια για να απελευθερώνουν μια ελεγχόμενη ώθηση όταν απαιτείται. Αυτό το δεύτερο σημείο καθιστά σημαντική την ισχύ που μπορεί να συσσωρεύσει ο πυκνωτής.
Ωστόσο, τα σιδηροηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται στους πυκνωτές έχουν σημαντική απώλεια ενέργειας λόγω των ιδιοτήτων των υλικών τους, γεγονός που καθιστά δύσκολη την παροχή υψηλής χωρητικότητας αποθήκευσης ενέργειας.
Οι τεχνητές ετεροδομές που αποτελούνται από ανεξάρτητες μεμβράνες 2D και 3D που αναπτύχθηκαν από το εργαστήριο του Sang-Hoon Bae έχουν ενεργειακή πυκνότητα έως και 19 φορές υψηλότερη από τους εμπορικά διαθέσιμους πυκνωτές
Ο Bae και οι συνεργάτες του, συμπεριλαμβανομένου του Rohan Mishra, αναπληρωτή καθηγητή μηχανολογίας και επιστήμης υλικών, και ο Chuan Wang, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής συστημάτων, τόσο στο WashU, και η Frances Ross, Καθηγήτρια TDK στην Επιστήμη και τη Μηχανική Υλικών στο MIT, παρουσίασαν ένα προσέγγιση για τον έλεγχο του χρόνου χαλάρωσης – μια εσωτερική ιδιότητα υλικού που περιγράφει το χρόνο που χρειάζεται για να διαλυθεί ή να αποσυντεθεί το φορτίο – των σιδηροηλεκτρικών πυκνωτών που χρησιμοποιούν υλικά 2D.
Η ομάδα ανέπτυξε νέες ετεροδομές 2D/3D/2D που μπορούν να ελαχιστοποιήσουν την απώλεια ενέργειας διατηρώντας παράλληλα τις πλεονεκτικές ιδιότητες υλικού των τρισδιάστατων σιδηροηλεκτρικών υλικών. Η προσέγγισή τους συνδυάζει έξυπνα 2D και 3D υλικά σε ατομικά λεπτά στρώματα, με προσεκτικά μελετημένους χημικούς και μη χημικούς δεσμούς μεταξύ κάθε στρώματος. Ένας πολύ λεπτός 3D πυρήνας τοποθετείται ανάμεσα σε δύο εξωτερικά στρώματα 2D για να δημιουργήσει μια στοίβα πάχους μόνο περίπου 30 νανόμετρων. Αυτό είναι περίπου το ένα δέκατο του μεγέθους ενός μέσου σωματιδίου ιού. Πρακτικά, τα σάντουιτς είναι κατασκευασμένα από υλικά με εναλλασσόμενες δισδιάστατες και τρισδιάστατες ατομικές δομές των οποίων οι ιδιότητες στη διατήρηση της ενέργειας είναι μοναδικές.
«Δημιουργήσαμε μια νέα δομή με βάση τις καινοτομίες που έχουμε ήδη κάνει στο εργαστήριό μου με δισδιάστατα υλικά», είπε ο Bae. «Αρχικά, δεν ήμασταν επικεντρωμένοι στην αποθήκευση ενέργειας, αλλά διερευνώντας τις ιδιότητες των υλικών, βρήκαμε ένα νέο φυσικό φαινόμενο που συνειδητοποιήσαμε ότι θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην αποθήκευση ενέργειας και ήταν πολύ ενδιαφέρον και δυνητικά πολύ πιο χρήσιμο».
Οι ετεροδομές 2D/3D/2D έχουν κατασκευαστεί με λεπτομέρεια ώστε να βρίσκονται στο σημείο ισορροπίας μεταξύ αγωγιμότητας και μη αγωγιμότητας, όπου τα υλικά ημιαγωγών έχουν βέλτιστες ηλεκτρικές ιδιότητες για αποθήκευση ενέργειας. Με αυτό το σχέδιο, ο Bae και οι συνεργάτες του ανέφεραν ενεργειακή πυκνότητα έως και 19 φορές υψηλότερη από τους εμπορικά διαθέσιμους σιδηροηλεκτρικούς πυκνωτές και πέτυχαν απόδοση άνω του 90%, επίσης πρωτοφανή.
«Βασικά, η δομή που έχουμε αναπτύξει είναι ένα νέο ηλεκτρονικό υλικό», είπε ο Bae. «Δεν είμαστε ακόμη 100% βέλτιστοι, αλλά ήδη ξεπερνάμε τα άλλα εργαστήρια. Τα επόμενα βήματά μας θα είναι να βελτιώσουμε περαιτέρω τη δομή αυτού του υλικού, έτσι ώστε να μπορέσουμε να καλύψουμε την ανάγκη για εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση και πολύ υψηλές ενεργειακές πυκνότητες στους πυκνωτές. Πρέπει να είμαστε σε θέση να το κάνουμε αυτό χωρίς να χάσουμε τη χωρητικότητα αποθήκευσης λόγω επαναλαμβανόμενης φόρτισης, για να δούμε αυτό το υλικό να χρησιμοποιείται ευρέως σε μεγάλα ηλεκτρονικά, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα και άλλες αναπτυσσόμενες πράσινες τεχνολογίες».
Χάρη στο κανάλι μας στο Telegram, μπορείτε να ενημερώνεστε για τη δημοσίευση νέων άρθρων Οικονομικών Σεναρίων.
Το άρθρο Επανάσταση στον κόσμο των πυκνωτών: υλικά με εξαιρετική απόδοση ανοίγουν το δρόμο για νέα ηλεκτρονικά προέρχεται από το Scenari Economici .
Αυτή είναι μια αυτόματη μετάφραση μιας ανάρτησης που δημοσιεύτηκε στο Scenari Economici στη διεύθυνση URL https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ στις Sat, 27 Apr 2024 07:00:09 +0000.