Wetenschap
Nieuw materiaal stimuleert innovatie op het gebied van elektrostatische energieopslag
Elektrostatische condensatoren spelen een cruciale rol in de moderne elektronica. Ze maken ultrasnel opladen en ontladen mogelijk en bieden energieopslag en stroom voor apparaten variërend van smartphones, laptops en routers tot medische apparaten, auto-elektronica en industriële apparatuur. De ferro-elektrische materialen die in condensatoren worden gebruikt, hebben echter een aanzienlijk energieverlies vanwege hun materiaaleigenschappen, waardoor het moeilijk wordt om een hoge energieopslagcapaciteit te bieden.
Sang-Hoon Bae, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, heeft deze al lang bestaande uitdaging aangepakt bij het inzetten van ferro-elektrische materialen voor energieopslagtoepassingen.
In een studie die op 18 april werd gepubliceerd in Science , Bae en zijn medewerkers, waaronder Rohan Mishra, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en Chuan Wang, universitair hoofddocent elektrische en systeemtechniek, beide bij WashU, en Frances Ross, de TDK-professor in Materials Science and Engineering bij MIT, introduceerde een aanpak om de relaxatietijd (een interne materiaaleigenschap die beschrijft hoe lang het duurt voordat de lading verdwijnt of vervalt) van ferro-elektrische condensatoren te beheersen met behulp van 2D-materialen.
In samenwerking met Bae ontwikkelden promovendus Justin S. Kim en postdoctoraal onderzoeker Sangmoon Han nieuwe 2D/3D/2D-heterostructuren die energieverlies kunnen minimaliseren terwijl de gunstige materiaaleigenschappen van ferro-elektrische 3D-materialen behouden blijven.
Hun aanpak omvat 2D- en 3D-materialen in atomair dunne lagen met zorgvuldig ontworpen chemische en niet-chemische verbindingen tussen elke laag. Een zeer dunne 3D-kern wordt tussen twee buitenste 2D-lagen geplaatst om een stapel van slechts ongeveer 30 nanometer dik te creëren. Dat is ongeveer een tiende van de grootte van een gemiddeld virusdeeltje.
"We hebben een nieuwe structuur gecreëerd op basis van de innovaties die we al in mijn laboratorium hebben doorgevoerd met betrekking tot 2D-materialen", zei Bae. "Aanvankelijk waren we niet gefocust op energieopslag, maar tijdens onze verkenning van materiaaleigenschappen ontdekten we een nieuw fysisch fenomeen waarvan we beseften dat het kon worden toegepast op energieopslag, en dat was zowel erg interessant als potentieel veel nuttiger."
De 2D/3D/2D-heterostructuren zijn zorgvuldig vervaardigd om zich op de goede plek tussen geleidbaarheid en niet-geleiding te bevinden, waar halfgeleidende materialen optimale elektrische eigenschappen hebben voor energieopslag. Met dit ontwerp rapporteerden Bae en zijn medewerkers een energiedichtheid die tot 19 keer hoger was dan die van commercieel verkrijgbare ferro-elektrische condensatoren, en bereikten ze een efficiëntie van meer dan 90%, wat ook ongekend is.
"We ontdekten dat de diëlektrische relaxatietijd kan worden gemoduleerd of geïnduceerd door een zeer kleine opening in de materiaalstructuur", legt Bae uit. "Dat nieuwe fysieke fenomeen is iets dat we nog niet eerder hadden gezien. Het stelt ons in staat diëlektrisch materiaal op zo'n manier te manipuleren dat het niet polariseert en zijn ladingsvermogen verliest."
Terwijl de wereld worstelt met de noodzaak van de transitie naar elektronische componenten van de volgende generatie, maakt Bae's nieuwe heterostructuurmateriaal de weg vrij voor hoogwaardige elektronische apparaten, waaronder krachtige elektronica, hoogfrequente draadloze communicatiesystemen en chips met geïntegreerde schakelingen. Deze vooruitgang is vooral van cruciaal belang in sectoren die robuuste oplossingen voor energiebeheer nodig hebben, zoals elektrische voertuigen en de ontwikkeling van infrastructuur.
"In wezen is deze structuur die we hebben ontwikkeld een nieuw elektronisch materiaal", zei Bae.
“We zijn nog niet 100% optimaal, maar we presteren nu al beter dan andere laboratoria. Onze volgende stappen zullen zijn om deze materiaalstructuur nog beter te maken, zodat we kunnen voldoen aan de behoefte aan ultrasnel opladen en ontladen en zeer hoge energie We moeten dat kunnen doen zonder opslagcapaciteit te verliezen door herhaaldelijk opladen, zodat dit materiaal breed kan worden gebruikt in grote elektronica, zoals elektrische voertuigen, en andere zich ontwikkelende groene technologieën."