Mokslo ir technologijų pasaulis

Tai atveria duris naujos elektrinio efektyvumo eros duris.

• Tyrėjai mano atradę naują medžiagos struktūrą, galinčią patobulinti energijos saugojimą kondensatoriuose.
• Šia struktūra padidinama talpa, tuo pačiu padidinant ultragreito įkrovimo ir iškrovimo efektyvumą.
• Šį atradimą dar reikia optimizuoti, bet jis turi potencialą padėti maitinti elektromobilius.

Kondensatorius – geriausias baterijos draugas. Viską, nuo išmaniųjų telefonų iki elektromobilių maitinantys kondensatoriai energiją iš baterijos saugo kaip elektros krūvį ir gali jį ultragreitai įkrauti ir iškrauti. Tačiau jų Achilo kulnas visada buvo ribotas energijos saugojimo efektyvumas.

Washingtono universiteto St. Louise tyrėjai atrado naujovišką kondensatorių dizainą, kuris, panašu, gali įveikti šiuos energijos saugojimo iššūkius.

Science publikuoto darbo pirmasis autorius, mechaninės inžinerijos ir medžiagotyros asist. prof. Sang-Hoon Bae, demonstruoja naujovišką heterostruktūrą, sumažinančią energijos nuostolius, dėl ko kondensatoriai gali saugoti daugiau energijos ir greitai įsikrauti, neprarasdami patvarumo.

Nors baterijų talpa didesnė, jų įkrovimo ir iškrovimo greitis mažesnis, jų neįmanoma greitai įkrauti ir iškrauti. Kondensatoriai šią spragą užpildo, kai prietaisams prisireikia greito energijos pliūpsnio. Pavyzdžiui, kai kuriuose išmaniuosiuose telefonuose būna iki 500 kondensatorių, nešiojamuose kompiuteriuose – apie 800. Tik nereikia tikėtis, kad šie kondensatoriai energiją išlaikys labai ilgai.

Kondensatorių feroelektrinės medžiagos gali smarkiai poliarizuotis. Tai naudinga kai kondensatorių reikia ultragreitai įkrauti ir iškrauti, bet tai gali riboti energijos saugojimo efektyvumą, laidininko „relaksacijos laiką“. „Tiksli relaksacijos laiko kontrolė gali būti daug kur panaudota ir turi labai efektyvių energijos kaupimo sistemų vystymo potencialą,“ rašo tyrimo autoriai.

Bae aptiko pokytį — kuris buvo atrastas, darbuojantis visiškai kitur — suklojant 2D ir 3D medžiagas atominio storio sluoksniais, tarp kurių sudaromos cheminės ir necheminės jungtys. Jis sako, kad plona 3D šerdis įterpiama tarp dviejų išorinių 2D sluoksnių, taip sukuriant vos 30 nanometrų, t.y. maždaug 1/10 vidutinio viruso, storio struktūrą.

„Iš pradžių į energijos laikymą nekreipėme dėmesio, bet tyrinėdami šios medžiagos savybes, aptikome fizikinį fenomeną, kuris, kaip supratome, gali būti panaudotas kaupti energiją,“ pasakoja Bae pranešime, „ir tai buvo daug įdomiau ir potencialiai daug naudingiau.“

„Sumuštinio“ struktūra nėra grynai laidi ar nelaidi. Šioje puslaidininkinėje medžiagoje galima saugoti energiją iki 19 kartų didesniu tankiu, nei komerciniuse feroelektriniuose kondensatoriuose, pasiekiant 90 procentų efektyvumą — tai irgi geresnis rodiklis, nei įmanoma dabar.

Šis kondensatorius energiją išlaiko, dėl naujosios medžiagos struktūroje esančio mažutėlio tarpo.

„Šis naujas fizikinis reiškinys dar nematytas,“ sako Bae. „Juo galime manipuliuoti dielektrine medžiaga taip, kad ji nesipoliarizuotų ir prarastų gebėjimą laikyti krūvį.“

Tyrimo komanda toliau optimizuos medžiagos struktūrą, kad užtikrintų ultragreitą įkrovimą ir iškrovimą nauju aukštos energijos tankiu. „Privalome atlikti tai, neprarasdami energijos saugojimo talpos dėl pakartotinių įkrovimų ir iškrovimų, kad išvystume platų šios medžiagos naudojimą stambiojoje elektronikoje, tarkime, elektromobiliuose.“

Tim Newcomb
www.popularmechanics.com