Като значителна стъпка към по-устойчиво бъдеще, съвместните изследователски усилия, ръководени от Университета в Хюстън (UH), Държавния университет в Джаксън (JSU) и Университета Хауърд (HU) доведоха до революционна иновация – разработката на изключително гъвкав кондензатор с несравнима енергийна плътност. Този напредък, описан подробно в списание ACS Nano притежава огромен потенциал за революционно съхранение на енергия в различни сектори, включително медицина, авиация, електрически превозни средства (EV), потребителска електроника и отбрана.

Ключовата роля на диелектричните кондензатори

Диелектричните кондензатори са повсеместно разпространени компоненти, които играят жизненоважна роля в електронните устройства и системите за съхранение на енергия. Способността им бързо да разтоварват значителни количества енергия ги прави незаменими за приложения с висока мощност.

Ключовият фактор, влияещ върху съхранението на енергия от кондензатора е комбинацията от неговата проницаемост (ε) и диелектрична якост на пробив (EBD).

„За да се подобри съхранението на енергия в кондензатора, напредъкът в двата аспекта е от решаващо значение.“

подчертава професор Карим

Нов дизайн

Изобретателността на изследователския екип се състои в създаването на нов вид кондензатор с помощта на слоести полимери, щателно напълнени с ориентирани 2D нанопълнители. Тези нанопълнители се произвеждат с помощта на механично ексфолирани люспи от 2D материали.

Изследователите са постигнали максимално съхранение на енергия чрез стратегическо подреждане на тези материали в отделни слоеве, образувайки структура, подобна на „сандвич“. Тя оптимизира работата на кондензатора. Тази свръхтънка структура, забележително по-тънка от човешки косъм, превъзхожда характеристиките на кондензаторите със случайно разпръснати нанопълнители, като показва по-висока енергийна плътност и ефективност.

„Нашата работа демонстрира разработването на кондензатори с висока енергийна и мощностна плътност чрез използване на ориентирани 2D нанопълнители за възпрепятстване на пътищата за електрически пробив в полимерните материали. Постигнахме енергийна плътност от около 75 J/cm³, най-високата, съобщавана някога за полимерен диелектричен кондензатор.„

обяснява Маниндерджит Сингх, който миналата година защитава докторска степен по химично инженерство в Университета на Южна Корея

Отключване на ефективността чрез иновации в материалите

Изследователският екип успешно демонстрира ефективността на контрола върху ориентацията на 2D нанолистовете за възпрепятстване на електрическите пробиви чрез използване на материали като слюда и хексагонален борен нитрид (hBN). Забележително е, че са наблюдавани значителни подобрения в диелектричната проницаемост дори при минимална обемна фракция (1 %) на нанопълнителите.

Широки приложения и бъдещи разработки

Този първи по рода си дизайн, използващ стратифицирани многослойни нанокомпозити за полимерни устройства за съхранение на енергия, проправя пътя към бъдещето, в което тези хибридни кондензатори ще намерят приложение в широк спектър от сектори. Създателите им предвиждат използването им в различни медицински устройства като пейсмейкъри и дефибрилатори, наред с приложенията в електрониката, електрическите превозни средства, енергийните системи и други.

Изследователският екип активно проучва и други полимерни системи, включително манипулиране на топологията на полимера, включване на присадени върху полимера наночастици и използване на слоести блокови съполимери, като всички те преследват крайната си цел. Кондензатори с висока енергийна плътност за чисто енергийно бъдеще.