Die Nanosheet-Technologie erhöht die Energiedichte dielektrischer Kondensatoren

Jul 25, 2023

Ein Nanoblatt-Gerät mit der bislang höchsten Energiespeicherleistung.

Erschwingliche und flexible Energiespeichertechnologien sind für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien von entscheidender Bedeutung und ermöglichen sauberen Energie den Zugang zu einer Vielzahl neuer Anwendungen. Aktuelle Energiespeichertechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien stehen vor Herausforderungen wie langen Ladezeiten, Elektrolytabbau, Lebensdauer und sogar unerwünschter Entzündung.

Eine vielversprechende Alternative sind dielektrische Energiespeicherkondensatoren, die viele Vorteile mit sich bringen, etwa eine kurze Ladezeit von nur wenigen Sekunden, eine lange Lebensdauer und eine hohe Leistungsdichte. So können sie zu idealen und sicheren Energiespeichern werden. Aktuelle dielektrische Kondensatoren weisen jedoch im Vergleich zu anderen Energiespeichergeräten wie Batterien und Superkondensatoren eine viel geringere Energiedichte auf.

Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Nagoya in Japan in Zusammenarbeit mit NIMS die Nanoblatttechnologie genutzt, um einen dielektrischen Kondensator mit der bisher höchsten Energiespeicherleistung zu entwickeln.

Die Menge an elektrischer Energie, die ein dielektrischer Kondensator speichern kann, wird durch den Grad der Polarisation beeinflusst. Der Schlüssel zum Erreichen einer hohen Energiedichte liegt daher darin, ein möglichst hohes elektrisches Feld an ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante anzulegen. Die verfügbaren Materialien sind jedoch durch die Menge des elektrischen Feldes begrenzt, mit dem sie umgehen können.

Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher Schichten aus Nanoblättern aus Kalzium, Natrium, Niob und Sauerstoff mit einer Perowskit-Kristallstruktur. Einzelne Nanoblätter weisen selbst in Monoschichtform eine extrem hohe dielektrische Festigkeit auf, die die von herkömmlichen dielektrischen Materialien übertrifft. Mehrschichtige gestapelte Nanoschichtkondensatoren zeichnen sich durch ultrahohe Energiedichten, hohe Wirkungsgrade, hervorragende Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität aus.

„Die Perowskitstruktur gilt als die beste Struktur für Ferroelektrika, da sie hervorragende dielektrische Eigenschaften wie eine hohe Polarisation aufweist“, erklärt Professor Minoru Osada vom Institute for Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) der Universität Nagoya. „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 des Forschungsteams bestätigen, dass sich die Energiedichte des dielektrischen Nanoschichtkondensators um das Ein- bis Zweifache erhöhte, während die hohe Ausgangsdichte gleich blieb. Darüber hinaus erreichten die dielektrischen Kondensatoren auf Nanoschichtbasis eine hohe Energiedichte, die ihre Stabilität über mehrere Nutzungszyklen hinweg beibehielt, selbst bei Temperaturen von bis zu 300 °C.

„Diese Errungenschaft liefert neue Designrichtlinien für die Entwicklung dielektrischer Kondensatoren und wird voraussichtlich für Festkörper-Energiespeichergeräte gelten, die die Vorteile der Nanoblätter wie hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte und kurze Ladezeit nutzen.“ wie wenige Sekunden, lange Lebensdauer und Hochtemperaturstabilität“, 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.“

Zeitschriftenreferenz: