افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی در خازن با کمک نانوصفحه

یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور مینورا اوسادا از مؤسسه مواد و سیستم‌های پایداری (IMaSS)، در دانشگاه ناگویا ژاپن، با همکاری NIMS، دستگاه نانوصفحه‌ای با بالاترین عملکرد ذخیره‌سازی انرژی که تاکنون دیده شده، را توسعه دادند.

کد خبر: ۱۱۰۳۸۱۲

يکشنبه - ۲۳ مهر ۱۴۰۲ / October 15, 2023

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک گروه تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور مینورا اوسادا از مؤسسه مواد و سیستم‌های پایداری (IMaSS)، در دانشگاه ناگویا ژاپن، با همکاری NIMS، دستگاه نانوصفحه‌ای با بالاترین عملکرد ذخیره‌سازی انرژی که تاکنون دیده شده، را توسعه دادند.

نتایج کار آن‌ها در قالب مقاله‌ای با عنوان ذخیره‌سازی انرژی در حجم بالا در پروسکایت‌های ۲ D High-κ در نشریه Nano Letters منتشر شد.

نوآوری‌ها در فناوری ذخیره‌سازی انرژی برای استفاده مؤثر از انرژی‌های تجدیدپذیر و تولید انبوه خودرو‌های الکتریکی حیاتی هستند. فناوری ذخیره‌سازی انرژی فعلی، مانند باتری‌های لیتیوم یونی، دارای زمان شارژ طولانی و مشکلاتی از جمله تخریب الکترولیت، طول عمر و حتی احتراق ناخواسته است.

یک جایگزین امیدوارکننده، خازن‌های ذخیره انرژی دی الکتریک است. ساختار اصلی خازن یک فیلم ساندویچ مانند است که از دو الکترود فلزی ساخته شده است که توسط یک فیلم دی الکتریک جامد از هم جدا شده‌اند. دی الکتریک‌ها موادی هستند که انرژی را از طریق مکانیسم جابجایی بار فیزیکی به نام پلاریزاسیون ذخیره می‌کنند. هنگامی که میدان الکتریکی به خازن اعمال می‌شود، بار‌های مثبت به سمت الکترود منفی جذب می‌شوند. بار‌های منفی به سمت الکترود مثبت جذب می‌شوند. سپس، ذخیره انرژی الکتریکی به پلاریزاسیون فیلم دی الکتریک با اعمال میدان الکتریکی خارجی بستگی دارد.

اوسادا گفت: «خازن‌های دی الکتریک دارای مزایای زیادی هستند، مانند زمان شارژ کوتاه در حد تنها چند ثانیه، عمر طولانی و چگالی توان بالا.»

با این حال، چگالی انرژی دی الکتریک‌های فعلی به‌طور قابل توجهی کمتر از میزان برآورده کردن نیاز‌های فزاینده برای انرژی الکتریکی است. افزایش چگالی انرژی به خازن‌های دی الکتریک کمک می‌کند تا با سایر دستگاه‌های ذخیره انرژی رقابت کنند.

از آنجایی که انرژی ذخیره شده در یک خازن دی الکتریک به میزان پلاریزاسیون مربوط می‌شود، کلید دستیابی به چگالی انرژی بالا اعمال میدان الکتریکی تا حد امکان به یک ماده با ثابت دی الکتریک بالا است. با این حال، مواد موجود با مقدار میدان الکتریکی که می‌توانند تحمل کنند، محدود می‌شوند.

برای فراتر رفتن از تحقیقات مرسوم دی الکتریک، این گروه از لایه‌های نانوصفحه ساخته شده از کلسیم، سدیم، نیوبیم و اکسیژن با ساختار کریستالی پروسکایت استفاده کردند.

اوسادا توضیح می‌دهد: «ساختار پروسکایت به‌عنوان بهترین ساختار برای فروالکتریک شناخته می‌شود، زیرا دارای خواص دی الکتریک عالی مانند قطبش بالا است. ما دریافتیم که با استفاده از این ویژگی، می‌توان میدان الکتریکی بالا را روی مواد دی الکتریک با قطبش بالا اعمال کرد و بدون اتلاف به انرژی الکترواستاتیک تبدیل کرد و به بالاترین چگالی انرژی ثبت‌شده دست یافت.»

یافته‌های این گروه تحقیقاتی نشان می‌دهد که خازن دی الکتریک مبتنی بر نانو ورق به چگالی انرژی بالایی رسیده است و پایداری خود را بعد از بار‌ها شارژ/دشارژ حفظ کرده و حتی در دما‌های بالا تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز پایدار است.