Неотдавна в списание Science беше публикува статия на автори от инженерното училище McKelvey към Вашингтонския университет в Сейнт Луис, посветена на изследването на хетерогенни тънкослойни структури за кондензатори.

Работейки със сегнетоелектрици, учените случайно създават кондензатор с енергийна плътност 19 пъти по-висока от тази на конвенционалните.

Всъщност те са разработили батерия с фантастична способност за бързо зареждане – нещо, което е недостатък на съвременните батерии. За никого не е тайна, че кондензаторите са ключови елементи в подсистемите за захранване и стабилизация на електрическите вериги. В съвременните смартфони може да има до 500 кондензатора, а в преносимите компютри – до 800 и повече.

Във всички случаи кондензаторите действат като елементи, които могат да се разреждат и зареждат бързо, какъвто не е случаят с батериите. От друга страна, батериите имат най-голяма плътност на съхранение на енергия. Учените отдавна се опитват да намерят среден вариант – батерия с висока плътност, която да може да се зарежда и разрежда бързо, но все пак да може да издържа много цикли на зареждане. Изглежда, че учените от САЩ са се доближили до създаването на такава батерия.

По време на експеримент с хетероструктури на основата на бариев титанат (BaTiO3) – нещо като перовскит е открита „нова физика“ както се изразяват учените. Най-общо казано, те са успели да контролират времето за разряд (релаксация) на сегнетоелектрически кондензатор. Тази способност бе ненадейно демонстрирана чрез изследване на комбинация от 2D/3D/2D2 или Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au „сандвич“ от 2D и 3D материали. Ядрото от бариев титанат, заобиколено от два атомно тънки слоя, създава слой с дебелина само 30 nm или 1/10 от конвенционален вирус. Прецизно подбраните химични и нехимични връзки, както и пролуките между слоевете са ключът, който позволява да се контролира времето за разреждане на кондензатора на батерията.

Чрез запазване на кристалността на 3D сегнетоелектрика и свеждане до минимум на енергийните загуби, учените са успели да постигнат плътност на съхранение на енергия от 191,7 J/cm3 в тази многослойна хетерогенна структура с ефективност над 90%.

Прецизният контрол на времето за разряд открива перспективи за широк спектър от приложения и има потенциал да ускори разработването на високоефективни системи за съхранение на енергия.

„Открихме, че времето за релаксация на диелектрика може да бъде контролирано или предизвикано от много малка празнина в структурата на материала. Това е ново физично явление – нещо, което не сме срещали досега. То ни позволява да манипулираме диелектричен материал по такъв начин, че той да не се поляризира или да не загуби способността си да се зарежда.“

обясни казва Санг-Хун Бае, водещ автор на статията

Учените не крият, че предстои дълго оптимизиране на материала, но дори на сегашния етап разработката надхвърля постиженията на други лаборатории. Ето защо изследователите виждат големи перспективи в новия „електронен материал“, както са нарекли своето решение.