Nanoblatt-Technologie zur Förderung dielektrischer Energiespeicherkondensatoren entwickelt

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Minoru Osada am Institut für Materialien und Systeme für Nachhaltigkeit (IMaSS) der Universität Nagoya in Japan hat in Zusammenarbeit mit NIMS ein Nanoblattgerät mit der bislang höchsten Energiespeicherleistung entwickelt.Ihre Ergebnisse wurden veröffentlichtin Nano-Buchstaben.

Innovationen in der Energiespeichertechnologie sind für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien und die Massenproduktion von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Aktuelle Energiespeichertechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien haben lange Ladezeiten und Probleme, einschließlich Elektrolytverschlechterung, Lebensdauer und sogar unerwünschter Entzündung.

Eine vielversprechende Alternative sind dielektrische Energiespeicherkondensatoren. Die Grundstruktur des Kondensators ist eine sandwichartige Folie aus zwei Metallelektroden, die durch eine feste dielektrische Folie getrennt sind. Dielektrika sind Materialien, die Energie durch einen physikalischen Ladungsverschiebungsmechanismus namens Polarisation speichern. Wenn an den Kondensator ein elektrisches Feld angelegt wird, werden die positiven Ladungen zur negativen Elektrode angezogen. Die negativen Ladungen werden von der positiven Elektrode angezogen. Dann hängt die Speicherung elektrischer Energie von der Polarisation des dielektrischen Films durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes ab.

„Die dielektrischen Kondensatoren haben viele Vorteile, wie zum Beispiel eine kurze Ladezeit von nur wenigen Sekunden, eine lange Lebensdauer und eine hohe Leistungsdichte“, sagte Osada. Die Energiedichte aktueller Dielektrika reicht jedoch deutlich nicht aus, um den steigenden Bedarf an elektrischer Energie zu decken. Eine Erhöhung der Energiedichte würde dazu beitragen, dass dielektrische Kondensatoren mit anderen Energiespeichergeräten konkurrieren können.

Da die in einem dielektrischen Kondensator gespeicherte Energie vom Ausmaß der Polarisation abhängt, liegt der Schlüssel zum Erreichen einer hohen Energiedichte darin, ein möglichst hohes elektrisches Feld an ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante anzulegen. Bestehende Materialien sind jedoch durch die Menge des elektrischen Feldes begrenzt, mit dem sie umgehen können.

Um über die herkömmliche dielektrische Forschung hinauszugehen, verwendete die Gruppe Schichten aus Nanoblättern aus Kalzium, Natrium, Niob und Sauerstoff mit einer Perowskit-Kristallstruktur. „Die Perowskit-Struktur gilt als die beste Struktur für Ferroelektrika, da sie hervorragende dielektrische Eigenschaften wie eine hohe Polarisation aufweist“, erklärt Osada. „Wir haben herausgefunden, dass durch die Nutzung dieser Eigenschaft ein hohes elektrisches Feld an dielektrische Materialien mit hoher Polarisation angelegt und verlustfrei in elektrostatische Energie umgewandelt werden kann, wodurch die höchste jemals aufgezeichnete Energiedichte erreicht wird.“

Die Ergebnisse der Forschungsgruppe bestätigten, dass dielektrische Nanoschichtkondensatoren eine um ein bis zwei Größenordnungen höhere Energiedichte bei gleichbleibend hoher Leistungsdichte erreichen. Erstaunlicherweise erreichte der dielektrische Kondensator auf Nanoblattbasis eine hohe Energiedichte, die ihre Stabilität über mehrere Nutzungszyklen hinweg beibehielt und selbst bei hohen Temperaturen von bis zu 300 °C stabil war.

„Diese Errungenschaft liefert neue Designrichtlinien für die Entwicklung von dielektrischen Kondensatoren und wird voraussichtlich für Festkörper-Energiespeichergeräte gelten, die die Vorteile der Nanoblätter mit hoher Energiedichte, hoher Leistungsdichte und kurzer Ladezeit von nur 1,5 bis 1,5 m nutzen ein paar Sekunden, lange Lebensdauer und hohe Temperaturstabilität“, sagte Osada. „Dielektrische Kondensatoren besitzen die Fähigkeit, gespeicherte Energie in extrem kurzer Zeit freizusetzen und eine intensive gepulste Spannung oder einen starken Strom zu erzeugen. Diese Funktionen sind in vielen Impulsentladungs- und Leistungselektronikanwendungen nützlich. Neben Hybrid-Elektrofahrzeugen würden sie auch in Hochleistungsbeschleunigern und Hochleistungs-Mikrowellengeräten nützlich sein.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Nagoya University veröffentlicht