Wissenschaftler der Washington University in St. Louis haben ein neues Material entwickelt , das die Fähigkeit zur Speicherung elektrostatischer Energie verbessert . Das Material besteht aus künstlichen Heterostrukturen aus unabhängigen 2D- und 3D-Membranen, die eine bis zu 19-mal höhere Energiedichte als kommerziell erhältliche Kondensatoren aufweisen. Dies wird es uns ermöglichen, hochinnovative Kondensatoren zu bauen und die Funktionsweise der Elektronik zu verändern. Leiter der Forschung ist Professor Sang-Hoon Bae, der Science dieses neue Material beschrieb.
Elektrostatische Kondensatoren spielen in der modernen Elektronik eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen ein sehr schnelles Laden und Entladen und stellen Energie und Stromspeicher für Geräte bereit, die von Smartphones, Laptops und Routern bis hin zu medizinischen Geräten, Automobilelektronik und Industrieanlagen reichen. Ihre Funktion besteht einerseits darin, die elektrischen Signale zu filtern und zu stabilisieren und so Störungen zu beseitigen, andererseits darin, Energie zu speichern, um bei Bedarf einen kontrollierten Impuls abzugeben. Dieser zweite Punkt macht die Leistung, die der Kondensator akkumulieren kann, wichtig.
Allerdings weisen in Kondensatoren verwendete ferroelektrische Materialien aufgrund ihrer Materialeigenschaften einen erheblichen Energieverlust auf, was es schwierig macht, eine hohe Energiespeicherkapazität bereitzustellen.
Künstliche Heterostrukturen aus unabhängigen 2D- und 3D-Membranen, die vom Labor von Sang-Hoon Bae entwickelt wurden, haben eine bis zu 19-mal höhere Energiedichte als kommerziell erhältliche Kondensatoren
Bae und seine Mitarbeiter, darunter Rohan Mishra, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, und Chuan Wang, außerordentlicher Professor für Elektro- und Systemtechnik, beide an der WashU, und Frances Ross, TDK-Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, stellten eine vor Ansatz zur Steuerung der Relaxationszeit – einer internen Materialeigenschaft, die die Zeit beschreibt, die benötigt wird, um Ladung aufzulösen oder abzubauen – von ferroelektrischen Kondensatoren unter Verwendung von 2D-Materialien.
Das Team entwickelte neue 2D/3D/2D-Heterostrukturen, die den Energieverlust minimieren und gleichzeitig die vorteilhaften Materialeigenschaften von 3D-ferroelektrischen Materialien beibehalten können. Ihr Ansatz verbindet geschickt 2D- und 3D-Materialien zu atomar dünnen Schichten mit sorgfältig durchdachten chemischen und nichtchemischen Bindungen zwischen den einzelnen Schichten. Ein sehr dünner 3D-Kern wird zwischen zwei äußeren 2D-Schichten eingelegt, um einen nur etwa 30 Nanometer dicken Stapel zu bilden. Das entspricht etwa einem Zehntel der Größe eines durchschnittlichen Viruspartikels. In der Praxis bestehen Sandwiches aus Materialien mit abwechselnden zwei- und dreidimensionalen Atomstrukturen, deren Eigenschaften hinsichtlich der Energieeinsparung einzigartig sind.
„Wir haben eine neue Struktur geschaffen, die auf den Innovationen basiert, die wir bereits in meinem Labor mit 2D-Materialien gemacht haben“, sagte Bae. „Anfangs konzentrierten wir uns nicht auf die Energiespeicherung, aber als wir die Eigenschaften von Materialien erforschten, entdeckten wir ein neues physikalisches Phänomen, von dem wir erkannten, dass es auf die Energiespeicherung angewendet werden konnte, und es war sehr interessant und potenziell viel nützlicher.“
Die 2D/3D/2D-Heterostrukturen wurden sorgfältig gefertigt, um am Gleichgewichtspunkt zwischen Leitfähigkeit und Nichtleitfähigkeit zu liegen, wo Halbleitermaterialien optimale elektrische Eigenschaften für die Energiespeicherung aufweisen. Mit diesem Design berichteten Bae und seine Mitarbeiter über eine bis zu 19-mal höhere Energiedichte als kommerziell erhältliche ferroelektrische Kondensatoren und erreichten einen ebenfalls beispiellosen Wirkungsgrad von mehr als 90 %.
„Im Grunde handelt es sich bei der von uns entwickelten Struktur um ein neues elektronisches Material“, sagte Bae. „Wir sind noch nicht 100 % optimal, aber wir übertreffen bereits andere Labore. Unsere nächsten Schritte werden darin bestehen, die Struktur dieses Materials weiter zu verbessern, um den Bedarf an ultraschnellem Laden und Entladen sowie sehr hohen Energiedichten in Kondensatoren zu decken. Wir müssen in der Lage sein, dies zu tun, ohne durch wiederholtes Aufladen Speicherkapazität zu verlieren, damit dieses Material in großen Elektronikgeräten wie Elektrofahrzeugen und anderen sich entwickelnden umweltfreundlichen Technologien weit verbreitet eingesetzt wird.“
Dank unseres Telegram-Kanals können Sie über die Veröffentlichung neuer Artikel zu Wirtschaftsszenarien auf dem Laufenden bleiben.
Der Artikel „Durchbruch in der Welt der Kondensatoren: Hochleistungsmaterialien ebnen den Weg für neue Elektronik“ stammt von Scenari Economici .
Dies ist eine Übersetzung eines Artikels, der am Sat, 27 Apr 2024 07:00:09 +0000 im italienischen Blog Scenari Economici unter der URL https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ veröffentlicht wurde.