Ein Ansatz zur Verbesserung von Relaxatoren für Energiespeichergeräte

Aug 14, 2023

Feature vom 26. Juli 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Relaxor-Ferroelektrika sind Materialien mit ferroelektrischen Eigenschaften und hoher Elektrostriktion (dh der Fähigkeit, sich als Reaktion auf elektrische Felder zusammenzuziehen oder zu verformen). Aus diesen Materialien lassen sich hocheffiziente Energiespeicher wie Kondensatoren herstellen.

Kondensatoren sind wichtige elektronische Komponenten, die aus zwei elektrischen Leitern mit einem bestimmten Abstand zwischen ihnen bestehen. Diese Komponenten können vorübergehend elektrische Ladung speichern, wodurch das von einzelnen integrierten Schaltkreisen (ICs) übertragene Rauschen reduziert und so die Gesamtleistung der Elektronik verbessert wird.

Forscher der Tsinghua-Universität und anderer Institute in China haben kürzlich eine neue Strategie zur Entwicklung wirksamer Relaxor-Ferroelektrika für Energiespeichergeräte vorgestellt. Ihr in Nature Energy vorgestellter Artikel schlägt vor, eine sogenannte Konfigurationsentropie zu verwenden, um die lokale Inhomogenität der Zusammensetzung eines Relaxators zu bewerten.

„Relaxor-Ferroelektrika sind die Hauptkandidaten für leistungsstarke dielektrische Kondensatoren zur Energiespeicherung“, schreiben Bingbing Yang, Qinghua Zhang und ihre Forscher in ihrer Arbeit. „Ein üblicher Ansatz zur Abstimmung der Relaxoreigenschaften besteht darin, die lokale Inhomogenität der Zusammensetzung zu regulieren, es fehlt jedoch eine quantitative Bewertungsmethode für Zusammensetzungsschwankungen in Relaxoren. Hier schlagen wir die Konfigurationsentropie als Index für die quantitative Bewertung der lokalen Inhomogenität der Zusammensetzung vor.“ "

In einigen neueren Studien wurde versucht, die Energiespeicherung von Kondensatoren mithilfe von Relaxatoren mit einer einzigen hochentropischen Zusammensetzung zu verbessern. Im Rahmen ihrer Studie wollten Yang, Zhang und ihre Kollegen den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Relaxor-Ferroelektrika und der Entropie eingehender untersuchen. Sie fanden heraus, dass mit zunehmender Entropie der Relaxoren die lokale Inhomogenität zunimmt, was wiederum Auswirkungen auf die Eigenschaften der Materialien hat.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die lokale Inhomogenität mithilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie mit der Entropie zunimmt und Relaxormerkmale entsprechend moduliert werden“, schreiben Yang, Zhang und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Durch die bewusste Gestaltung der Entropie erreichen wir eine optimale Gesamtenergiespeicherleistung in Bi4Ti3O12-basierten Filmen mit mittlerer Entropie, die sich durch eine hohe Energiedichte von 178,1 J cm−3 mit einem Wirkungsgrad von über 80 % und einem hohen Gütefaktor von 913 auszeichnen. "

Die von Yang, Zhang und ihren Kollegen gesammelten Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften ferroelektrischer Relaxormaterialien von der Entropie, insbesondere der Konfigurationsentropie, abhängen. Diese Entropie kann leicht berechnet werden, indem die Zusammensetzung eines Materials als Vorhersageindex verwendet wird.

Diese aktuelle Studie eröffnet somit einen neuen Weg zur Entwicklung von Relaxatoren, die die Leistung von Kondensatoren und anderen Energiespeichergeräten verbessern könnten. Die ersten Auswertungen des Teams waren sehr vielversprechend, da sie mit ihrem Ansatz Relaxorfilme entwickelten, mit denen sie dann einen leistungsstarken Kondensator herstellen konnten.

„Mithilfe der Filme mittlerer Entropie als dielektrische Schichten demonstrieren wir einen Prototyp eines mehrschichtigen Filmkondensators, der herkömmliche mehrschichtige Keramikkondensatoren übertrifft“, schrieben Yang, Zhang und ihre Kollegen.

Zukünftig könnte die Arbeit dieses Forscherteams in die Entwicklung neuer ferroelektrischer Relaxoren mit vorteilhaften Eigenschaften einfließen. Diese Materialien könnten wiederum zur Herstellung besserer Kondensatoren verwendet werden und so zur Entwicklung elektronischer Geräte der nächsten Generation beitragen.

Mehr Informationen: Bingbing Yang et al., Engineering von Relaxoren durch Entropie für eine hohe Energiespeicherleistung, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01300-0

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