Если материал можно будет масштабировать по лабораторным образцам, устройства, изготовленные из него, смогут превзойти традиционные электролитические конденсаторы для применения в электромагнитных двигателях, электромобилях и дефибрилляторах. Конденсаторы часто дополняют батареи в этих приложениях, потому что они могут быстро обеспечить большой ток.
Новый материал состоит из тонкой золь-гелевой пленки силикагеля, содержащей полярные группы, связанные с атомами кремния, и наноразмерного самоорганизующегося монослоя октилфосфоновой кислоты, который обеспечивает изолирующие свойства. Двухслойная структура блокирует инжекцию электронов в золь-гель материал, обеспечивая низкий ток утечки, высокую прочность на пробой и высокую эффективность извлечения энергии.
«Золь-гели с органическими группами хорошо известны, а жирные кислоты, такие как фосфоновые кислоты, хорошо известны», — отметил Джозеф Перри, профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии. «Но насколько нам известно, это первый раз, когда эти два типа материалов были объединены в устройства хранения энергии с высокой плотностью».Об исследовании, проведенном при поддержке Управления военно-морских исследований и Управления научных исследований ВВС США, 14 июля было опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.Потребность в эффективных и высокоэффективных материалах для хранения электроэнергии растет вместе с постоянно растущим спросом на электроэнергию в мобильных приложениях.
Диэлектрические материалы могут обеспечивать быструю зарядку и разрядку, высокую аккумуляцию энергии и регулировку мощности для оборонных, медицинских и коммерческих приложений. Но было сложно найти единственный диэлектрический материал, способный максимизировать диэлектрическую проницаемость, прочность на пробой, плотность энергии и эффективность извлечения энергии.Перри и его коллеги из Центра органической фотоники и электроники (COPE) Технологического института Джорджии работали над другими материалами конденсаторов для удовлетворения этих требований, но не были удовлетворены достигнутым прогрессом. Гибридные золь-гель материалы продемонстрировали потенциал для эффективного хранения энергии в диэлектрике из-за их высокой ориентационной поляризации под действием электрического поля, поэтому группа решила использовать эти материалы для новых конденсаторов.
Используя алюминированную майларовую пленку, покрытую гибридным золь-гелевым материалом конденсатора, они показали, что конденсатор можно перекатывать и перекатывать несколько раз, сохраняя при этом высокую плотность энергии, демонстрируя его гибкость. Но они все еще наблюдали сильную утечку тока. Чтобы решить эту проблему, они нанесли наноразмерный самоорганизующийся монослой н-октилфосфоновой кислоты поверх гибридного золь-геля. Монослой толщиной менее нанометра служит изоляционным слоем.
«Наш золь-гель силикагеля является гибридным материалом, потому что он имеет полярные органические группы, прикрепленные к каркасу силикагеля, который придает золь-гелю высокую диэлектрическую постоянную, а в нашем двухслойном диэлектрике группы н-октилфосфоновой кислоты вставлены между золями. гелевый слой и верхний слой алюминия, чтобы блокировать инжекцию заряда в золь-гель », — пояснил Перри. «Это действительно двухслойный гибридный материал, который сочетает в себе лучшее как от поляризации переориентации, так и от подходов к сокращению инжекции и улучшению извлечения энергии».В своих структурах исследователи продемонстрировали максимальную плотность извлекаемой энергии до 40 джоулей на кубический сантиметр, эффективность извлечения энергии 72 процента при напряженности поля 830 вольт на микрон и плотность мощности 520 ватт на кубический сантиметр. Производительность превосходит характеристики обычных электролитических конденсаторов и тонкопленочных литий-ионных батарей, хотя и не соответствует форматам литий-ионных аккумуляторов, обычно используемых в электронных устройствах и транспортных средствах.
«Я впервые вижу, как конденсатор побеждает батарею по плотности энергии», — сказал Перри. «Комбинация высокой плотности энергии и высокой плотности мощности необычна в мире конденсаторов».Исследователи в лаборатории Перри создавали в лаборатории ряды небольших золь-гелевых конденсаторов, чтобы собрать информацию о характеристиках материала. Устройства сделаны на небольших подложках размером около дюйма в квадрате.
«Когда мы прикладываем электрическое поле, мы видим, что поляризационный отклик — который измеряет, насколько полярные группы стабильно выстраиваются в линию с полем — ведет себя линейно», — сказал Перри. «Это то, что вы хотите видеть в диэлектрическом материале конденсатора».Следующим шагом будет масштабирование материалов, чтобы увидеть, переносятся ли привлекательные свойства на более крупные устройства. Если это удастся, Перри рассчитывает коммерциализировать материал через стартап или проект SBIR.«Простота полностью основанных на решениях процессов для нашей системы диэлектрических материалов обеспечивает возможность легкого масштабирования и изготовления на гибких платформах», — пишут авторы в своей статье. «В этой работе подчеркивается важность управления границей раздела электрод-диэлектрик для максимизации характеристик диэлектрических материалов для накопления энергии».
Помимо Перри, в исследовательскую группу входили Юнсанг Ким, Моханалингам Катхаперумал и Винсент Чен из Технологической школы химии и биохимии Джорджии; Йохан Пак из Технологической школы материаловедения и инженерии Джорджии; Канек Фуэнтес-Эрнандес и Бернард Киппелен из Технической школы Джорджии по электротехнике и вычислительной технике, а также Мин-Хен Пан из Военно-морской исследовательской лаборатории.