据报道,由日本名古屋大学(Nagoya University)领导的一个研究小组利用纳米片技术开发了一种先进的介电电容器,提供了前所未有的能量存储密度和稳定性。据称,这一突破将显著提高可再生能源的使用和电动汽车的生产。

该研究小组由名古屋大学材料与可持续性系统研究所(IMaSS)的Minoru Osada教授领导,与日本国立材料研究所NIMS合作。他们共同开发了一种纳米片器件,显示出前所未有的能量存储性能。最新突破性成果已于近期发表在了《纳米快报》杂志上。

研究人员表示,现有的储能技术,如锂离子电池,具有局限性。这类电池的问题包括充电时间长、电解质降解、寿命缩短、甚至自燃风险等等。

因此,最新研究对先进的电子和电力系统具有重要意义。储能技术的创新对于可再生能源的有效利用和电动汽车的大规模生产至关重要。介电电容器是技术上的重大进步,拥有有史以来最高的能量存储密度。其他有益的特点包括充电时间快、输出高、寿命长和优越的高温稳定性。

据了解,介电储能电容器具有三明治状结构,由两个由固体介电膜隔开的金属电极组成。电介质是一种通过被称为极化的物理电荷位移机制储存能量的材料,它是关键。当电场作用在电容器上时,正电荷和负电荷被吸引到相反的电极上,有利于电能的储存。

Osada指出,“介质电容器具有许多优点,例如充电时间短,只需几秒钟,寿命长,功率密度高。然而,当前电介质的能量密度远远不能满足日益增长的电能需求。提高能量密度将有助于介电电容器与其他储能设备竞争。”

研究人员进一步解释称,储存在电介质电容器中的能量与极化量有关。因此,实现高能量密度的关键是向高介电常数材料施加尽可能高的电场。然而,现有材料受到其能够处理的电场量的限制。

为了超越传统的介电研究,研究小组利用了钙钛矿晶体结构的钙、钠、铌和氧组成的纳米片。

Osada解释说:“钙钛矿结构被认为是铁电体的最佳结构,因为它具有优异的介电性能,如高极化。我们发现,通过利用这一特性,可以将高电场施加到高极化的介电材料上,并无损失地转化为静电能,从而实现有史以来最高的能量密度。

研究结果证实,纳米片介电电容器在保持相同高输出密度的同时,能量密度提高了1-2个数量级。令人兴奋的是,基于纳米片的介电电容器实现了高能量密度,在多个使用周期中保持稳定性,甚至在高达300°C的高温下也能保持稳定。

Osada说:“这一成就为介电电容器的发展提供了新的设计指南,有望应用于全固态储能器件,而该器件充分利用纳米片的高能量密度、高功率密度、充电时间短(几秒钟)、长寿命和高温稳定性等特点。”

“介电电容器具有在极短时间内释放储存能量并产生强烈脉冲电压或电流的能力。这些特性在许多脉冲放电和电力电子应用中是有用的。除了混合动力汽车,它们还可用于高功率加速器和高功率微波设备。”他补充说。

资料来源:联财社、网络等

原文始发于微信公众号(艾邦储能与充电):储能大突破!全新介电电容器能量密度和稳定性双双破纪录

作者 li, meiyong

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