افزایش چگالی انرژی خازن‌های دی‌الکتریک با فناوری نانو
به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه ناگویا (Nagoya University) در ژاپن، با همکاری موسسه ملی علوم مواد (NIMS, National Institute for Materials Science)، از فناوری نانوصفحه برای توسعه یک خازن دی‌الکتریک با بالاترین عملکرد ذخیره‌سازی انرژی استفاده کردند.
فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی مقرون‌به‌صرفه و انعطاف‌پذیر برای استفاده مؤثر از انرژی‌های تجدیدپذیر حیاتی هستند و باعث می‌شوند که انرژی پاک کاربرد‌های جدید و گسترده‌ای داشته باشد. فناوری ذخیره‌سازی انرژی فعلی، مانند باتری‌های لیتیوم یونی، با چالش‌هایی مانند زمان شارژ طولانی، تخریب الکترولیت، طول عمر و حتی احتراق ناخواسته مواجه است.
یکی از جایگزین‌های امیدوارکننده، خازن‌های ذخیره‌سازی انرژی دی‌الکتریک است که مزایای زیادی مانند زمان شارژ کوتاه در حد چند ثانیه، عمر طولانی و چگالی توان بالا دارد. بنابراین، آن‌ها می‌توانند به دستگاه‌های ذخیره انرژی مناسب و ایمن تبدیل شوند. با این حال، خازن‌های دی‌الکتریک فعلی، چگالی انرژی بسیار کمتری در مقایسه با سایر دستگاه‌های ذخیره انرژی، مانند باتری‌ها و ابرخازن‌ها دارند.
مقدار انرژی الکتریکی که یک خازن دی‌الکتریک می‌تواند ذخیره کند بستگی به میزان قطبش آن (جدایی بار‌های الکتریکی در مواد عایق) دارد. بنابراین، راه حل دستیابی به چگالی انرژی بالا، استفاده از میدان الکتریکی یک ماده ثابت دی‌الکتریک بالا است. با این حال، موادی که مقدار میدان الکتریکی بالا را می‌توانند تحمل کنند، محدود هستند.
برای حل این مشکل، محققان از لایه‌های نانوصفحه ساخته شده از کلسیم، سدیم، نیوبیم و اکسیژن با ساختار کریستالی پروسکایت استفاده کردند. نانوصفحه استحکام دی‌الکتریک فوق‌العاده بالایی دارد، حتی در حالت تک لایه، که از مواد دی‌الکتریک معمولی بیشتر است. خازن‌های نانوصفحه‌ای چندلایه چگالی انرژی فوق‌العاده بالا، راندمان بالا، قابلیت اطمینان عالی دارند که پایداری دما را نیز نشان می‌دهند. فناوری نانوصفحه، چگالی انرژی خازن‌های دی‌الکتریک را افزایش می‌دهد.
پروفسور مینورو اوسادا (Minoru Osada) در موسسه مواد و سیستم‌های پایداری (IMaSS, Materials and Systems for Sustainability)، دانشگاه ناگویا (Nagoya University) توضیح می‌دهد: «ساختار پروسکایت به عنوان بهترین ساختار برای فروالکتریک شناخته می‌شود، زیرا دارای خواص دی‌الکتریک عالی مانند قطبش بالا است. ما دریافتیم که با استفاده از این ویژگی، میدان الکتریکی بالا می‌تواند روی مواد دی‌الکتریک با قطبش بالا اعمال شود و بدون اتلاف به انرژی الکترواستاتیک تبدیل شود و به بالاترین چگالی انرژی که تاکنون ثبت شده است، دست یابد.»
یافته‌های این گروه تحقیقاتی تأیید می‌کند که چگالی انرژی خازن دی‌الکتریک نانوصفحه ۱ تا ۲ برابر افزایش یافته و در عین حال همان چگالی خروجی بالا را حفظ می‌کند. علاوه بر این، خازن‌های دی‌الکتریک مبتنی بر نانوصفحه به چگالی انرژی بالایی دست یافتند که پایداری خود را، حتی در دمای ۳۰۰ درجه سانتی گراد، در چرخه‌های متعدد حفظ می‌کنند.
اوسادا گفت: «این دستاورد دستورالعمل‌های طراحی جدیدی را برای توسعه خازن‌های دی‌الکتریک ارائه می‌دهد و انتظار می‌رود که برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، تمام حالت جامد که از ویژگی‌های نانوصفحه، مانند چگالی انرژی بالا، چگالی توان بالا، عمر طولانی و پایداری در دمای بالا، زمان شارژ کوتاه به اندازه کم بهره می‌برند، اعمال شود.»
وی افزود: «خازن‌های دی‌الکتریک دارای توانایی آزادسازی انرژی ذخیره شده در زمان بسیار کوتاه و ایجاد یک ولتاژ یا جریان پالسی شدید هستند. این ویژگی‌ها در بسیاری از برنامه‌های الکترونیکی، تخلیه پالسی و قدرت مفید دارند. علاوه بر وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی، آن‌ها همچنین در شتاب دهنده‌های پرقدرت و دستگاه‌های مایکروویو پرقدرت نیز مفید خواهند بود.»
انتهای پیام/