Недавно журнал Science опубликовал статью от исследователей Маккелви Инженерной Школы при Вашингтонском Университете в Сент-Луисе, посвященную гетерогенным тонкопленочным структурам для конденсаторов. В ходе работы с сегнетоэлектриками, ученые случайно создали конденсатор с плотностью энергии в 19 раз выше, чем у обычных элементов. Фактически, они разработали аккумулятор с невероятной способностью к быстрой зарядке, что отсутствует у современных батарей.
Конденсаторы являются ключевыми элементами подсистем питания и стабилизации в схемах. В современных смартфонах может быть до 500 конденсаторов, а в ноутбуках — до 800 и более. Во всех случаях конденсаторы служат элементами, способными быстро разряжаться и заряжаться, в отличие от аккумуляторов. Аккумуляторы, в свою очередь, отличаются высокой плотностью энергии. Ученые давно стремились найти компромисс — аккумулятор с высокой плотностью и возможностью быстрой зарядки и разрядки, но при этом долговечный и способный выдерживать множество циклов. Похоже, ученые из США приблизились к созданию такого аккумулятора.
При экспериментах с гетероструктурами на основе титаната бария (BaTiO3) — своего рода перовскита — была обнаружена "новая физика", как выразились исследователи. В ходе исследования ученым удалось управлять временем разряда (релаксации) сегнетоэлектрического конденсатора. Эта возможность проявилась случайно при изучении сочетания двумерных и трехмерных материалов в комбинации 2D/3D/2D2 или "бутерброд" Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au. Сердцевина из титаната бария, окруженная двумя атомарно тонкими слоями, образует слой всего 30 нм толщиной. Точно настроенные химические и нехимические связи, а также зазоры между слоями, стали ключом к контролю времени разряда конденсатора-аккумулятора.
Благодаря сохранению кристалличности 3D-сегнетоэлектрика и минимизации потерь энергии, ученым удалось достичь плотности хранения энергии в этой многослойной гетерогенной структуре на уровне 191,7 Дж/см3 при КПД более 90%. Точный контроль времени разряда открывает перспективы для широкого спектра применений и потенциально может ускорить разработку высокоэффективных систем хранения энергии.
Ведущий автор работы Санг-Хун Бей (Sang-Hoon Bae), сказал:
Мы создали новую структуру, основанную на инновациях, которые мы уже внедрили в нашей лаборатории с использованием 2D-материалов. Изначально мы не были сосредоточены на накоплении энергии, но в ходе нашего исследования свойств материалов мы обнаружили новое физическое явление, которое, как мы поняли, может быть применено для накопления энергии, и которое было одновременно очень интересным и потенциально гораздо более полезным.
Ученые обнаружили, что время релаксации диэлектрика может регулироваться или индуцироваться очень небольшим зазором в структуре материала. Это новое физическое явление — то, с чем ученые раньше не сталкивались. Это позволяет нам манипулировать диэлектрическим материалом таким образом, чтобы он не поляризовался и не терял способность заряжаться.
Ученые признают, что предстоит много работы по оптимизации материала, но уже на текущем этапе исследования превосходят результаты других лабораторий. Поэтому они видят большие перспективы в новом "электронном материале", как они назвали свое изобретение.