Група изследователи от Училището по инженерство „Маккелви“ към Вашингтонския университет в Сейнт Луис може би са открили фероелектричните кондензатори.

Използвайки комбинация от 2D и 3D структури, това откритие може да доведе до реални приложения на това неуловимо, обещаващо решение за съхранение на електричество.

Електростатичните кондензатори са от решаващо значение за съхранението на енергия и захранването на съвременните устройства – от смартфони и лаптопи до медицинско и промишлено оборудване. Отдавна се търсят такива, изработени от фероелектрични материали, за да се повиши драстично ефективността на кондензаторите. Въпреки това те отдавна са измъчвани от технически проблеми.

Поради своите свойства фероелектричните кондензатори търпят значителни загуби на енергия, което затруднява постигането на висок капацитет за съхранение на енергия. За тази цел Санг-Хун Бае – асистент по машинно инженерство в Маккелви се опитвал да намери начин да преодолее тези ограничения.

В ново изследване, публикувано в изданието Science на 18 април, Бае и екипът му предлагат метод за контролиране на времето за „релаксация“ на фероелектричните кондензатори с помощта на 2D материали. Времето за „релаксация“ се отнася до вътрешно свойство на материала, което описва колко време е необходимо за разсейване или разпадане на заряда.

Фероелектричните кондензатори – огромен пробив

Техният метод гениално комбинира 2D и 3D материали, като ги подрежда в атомно тънки слоеве с прецизно проектирани химични и нехимични връзки между всеки слой. Тънко 3D ядро се поставя между два външни 2D слоя, за да се създаде стек с дебелина само около 30 нанометра. Това е приблизително 1/10 от размера на средна вирусна частица.

„Създадохме нова структура въз основа на нововъведенията, които вече сме направили в моята лаборатория, включващи 2D материали. Първоначално не бяхме фокусирани върху съхранението на енергия, но по време на изследването на свойствата на материалите открихме нов физичен феномен, за който разбрахме, че може да бъде приложен към съхранението на енергия, а това беше едновременно много интересно и потенциално много по-полезно.“

каза Бае

Разработените от екипа 2D/3D/2D хетероструктури са проектирани прецизно, за да балансират между проводимост и непроводимост, за да постигнат оптимални електрически свойства за съхранение на енергия в полупроводникови материали.

Благодарение на този дизайн Bae и колегите му отчитат енергийна плътност, която е до 19 пъти по-висока от тази на наличните в търговската мрежа фероелектрични кондензатори. Те са постигнали и безпрецедентна ефективност от над 90 %.

Огромни положителни последици за редица технологии

„В основата си тази структура, която разработихме е нов електронен материал. Все още не сме постигнали 100% оптимален резултат, но вече превъзхождаме това, което правят други лаборатории. Следващите ни стъпки ще бъдат да направим тази структура на материала още по-добра, за да можем да отговорим на нуждата от свръхбързо зареждане и разреждане и много висока плътност на енергията в кондензаторите.“

каза Бае

Това откритие ще има сериозни положителни последици в различни индустрии, като например смартфоните, лаптопите, медицинското оборудване, автомобилната електроника, и по-специално за регулирането на мощността на електромобилите и развитието на инфраструктурата. Възможностите за бързо и ефикасно зареждане и разреждане са от жизненоважно значение за тези технологии.