Condensatoren die elektrische energie snel opslaan en vrijgeven, zijn belangrijke componenten in moderne elektronica en voedingssystemen. Echter, de meest gebruikte systemen hebben een lage energiedichtheid in vergelijking met andere opslagsystemen zoals batterijen of brandstofcellen, die op hun beurt niet snel kunnen ontladen en opladen zonder schade op te lopen.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Wetenschap , onderzoekers hebben het beste van twee werelden gevonden. Door geïsoleerde defecten te introduceren in een type in de handel verkrijgbare dunne film in een eenvoudige nabewerkingsstap, een team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy (DOE) heeft aangetoond dat een gewoon materiaal kan worden verwerkt tot een hoogwaardig materiaal voor energieopslag.

Het onderzoek wordt ondersteund door het Materials Project, een open-access online database die vrijwel de grootste verzameling materiaaleigenschappen levert aan wetenschappers over de hele wereld. Vandaag, het Materials Project combineert zowel computationele als experimentele inspanningen om, onder andere doelen, het ontwerp van nieuwe functionele materialen versnellen. Dit omvat het begrijpen van manieren om bekende materialen te manipuleren op manieren die hun prestaties verbeteren.

Toenemende eisen voor kostenreductie en miniaturisatie van apparaten hebben geleid tot een duw in de richting van de ontwikkeling van condensatoren met een hoge energiedichtheid. Condensatoren worden vaak gebruikt in elektronische apparaten om de stroomvoorziening in stand te houden terwijl een batterij wordt opgeladen. Het nieuwe materiaal dat in Berkeley Lab is ontwikkeld, zou uiteindelijk de efficiëntie, betrouwbaarheid, en robuustheid van condensatoren met de energieopslagmogelijkheden van grotere batterijen. Toepassingen zijn onder meer persoonlijke elektronische apparaten, draagbare technologie, en auto-audiosystemen.

Het materiaal is gebaseerd op een zogenaamd "relaxor ferro-elektrisch, " wat een keramisch materiaal is dat een snelle mechanische of elektronische reactie ondergaat op een extern elektrisch veld en dat vaak wordt gebruikt als condensator in toepassingen zoals ultrasoon, druksensoren, en spanningsgeneratoren.

Het aangelegde veld zorgt voor veranderingen in de oriëntatie van de elektronen in het materiaal. Tegelijkertijd, het veld zorgt voor een verandering in de energie opgeslagen in de materialen, waardoor ze een goede kandidaat zijn voor gebruik buiten een kleinschalige condensator. Het probleem dat moet worden opgelost, is hoe het ferro-elektrische materiaal kan worden geoptimaliseerd zodat het kan worden opgeladen tot hoge spanningen en zeer snel kan worden ontladen - miljarden keren of meer - zonder schade op te lopen waardoor het ongeschikt zou worden voor langdurig gebruik in toepassingen zoals computers en voertuigen .

Onderzoekers in het lab van Lane Martin, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division (MSD) van Berkeley Lab en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering aan de University of California, Berkeley, bereikt dit door lokale defecten te introduceren waardoor het bestand is tegen grotere spanningen.

"Je hebt waarschijnlijk wel eens relaxor ferro-elektriciteit ervaren op een gasgrill. De knop die de grill verlicht, bedient een veerbelaste hamer die op een piëzo-elektrisch kristal slaat, wat een soort relaxor is, en creëert een spanning die het gas ontsteekt, " legde Martin uit. "We hebben aangetoond dat ze ook kunnen worden verwerkt tot enkele van de beste materialen voor energieopslagtoepassingen."

Door een ferro-elektrisch materiaal tussen twee elektroden te plaatsen en het elektrische veld te vergroten, wordt lading opgebouwd. Tijdens het lossen, de hoeveelheid beschikbare energie hangt af van hoe sterk de elektronen van het materiaal oriënteren, of gepolariseerd raken, als reactie op het elektrische veld. Echter, de meeste van dergelijke materialen zijn typisch niet bestand tegen een groot elektrisch veld voordat het materiaal faalt. De fundamentele uitdaging, daarom, is om een ​​manier te vinden om het maximaal mogelijke elektrische veld te vergroten zonder de polarisatie op te offeren.

De onderzoekers wendden zich tot een aanpak die ze eerder hadden ontwikkeld om de geleidbaarheid in een materiaal "uit te schakelen". Door een dunne film te bombarderen met hoogenergetische geladen deeltjes, bekend als ionen, ze waren in staat om geïsoleerde defecten te introduceren. De defecten vangen de elektronen van het materiaal op, het voorkomen van hun beweging en het verminderen van de geleidbaarheid van de film met orden van grootte.

"In ferro-elektriciteit, die geacht worden isolatoren te zijn, een lading hebben die er doorheen lekt, is een groot probleem. Door ferro-elektriciteit te bombarderen met bundels van hoogenergetische ionen, we wisten dat we ze betere isolatoren konden maken, " zei Jieun Kim, een doctoraal onderzoeker in de groep van Martin en hoofdauteur van het papier. "We vroegen toen kunnen we dezelfde benadering gebruiken om een ​​relaxor ferro-elektrisch te maken grotere spanningen en elektrische velden te weerstaan ​​voordat het catastrofaal faalt?"

Het antwoord bleek "ja" te zijn. Kim maakte eerst dunne films van een prototypische relaxor ferro-elektrische genaamd loodmagnesiumniobiet-loodtitanaat. Vervolgens, hij richtte de films met hoogenergetische heliumionen op de Ion-Beam Analysis Facility van de Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division in Berkeley Lab. De heliumionen sloegen doelionen van hun plaatsen om puntdefecten te creëren. Metingen toonden aan dat de met ionen gebombardeerde film meer dan tweemaal de energieopslagdichtheid had van eerder gerapporteerde waarden en 50 procent hogere efficiëntie.

"We verwachtten oorspronkelijk dat de effecten voornamelijk zouden zijn van het verminderen van de lekkage met geïsoleerde puntdefecten. we realiseerden ons dat de verschuiving in de polarisatie-elektrische veldrelatie als gevolg van sommige van die defecten even belangrijk was, "zei Martin. "Deze verschuiving betekent dat er steeds grotere aangelegde spanningen nodig zijn om de maximale verandering in polarisatie te creëren." Het resultaat suggereert dat ionenbombardement kan helpen om de afweging tussen zeer polariseerbaar en gemakkelijk breekbaar te overwinnen.

Dezelfde ionenbundelbenadering zou ook andere diëlektrische materialen kunnen verbeteren om de energieopslag te verbeteren, en biedt onderzoekers een hulpmiddel om problemen in reeds gesynthetiseerde materialen te repareren. "Het zou geweldig zijn om te zien dat mensen deze ionenstraalbenaderingen gebruiken om materialen in apparaten achteraf te 'genezen' als hun synthese- of productieproces niet perfect verliep, " zei Kim.