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Aug 18, 2023

Von der Nagoya University, 18. Juli 2023

Ultrahohe Energiespeicherung in 2D-High-κ-Perowskiten. Bildnachweis: Minoru Osada, Universität Nagoya

Forscher haben mithilfe der Nanoblatttechnologie einen fortschrittlichen dielektrischen Kondensator entwickelt, der eine beispiellose Energiespeicherdichte und -stabilität bietet. Dieser Durchbruch könnte die Nutzung erneuerbarer Energien und die Produktion von Elektrofahrzeugen erheblich verbessern.

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Die Universität Nagoya in Japan hat die Nanoblatttechnologie innovativ angewendet, um einen dielektrischen Kondensator herzustellen. Diese Entwicklung hat erhebliche Auswirkungen auf fortschrittliche elektronische und elektrische Energiesysteme. Innovationen in der Energiespeichertechnologie sind für die effektive Nutzung erneuerbarer Energien und die Massenproduktion von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Der dielektrische Kondensator stellt einen großen technologischen Fortschritt dar und verfügt über die höchste jemals gemessene Energiespeicherdichte. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind eine schnelle Ladezeit, hohe Leistung, Langlebigkeit und hervorragende Hochtemperaturstabilität.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Minoru Osada am Institute for Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) der Universität Nagoya arbeitete mit NIMS zusammen. Gemeinsam entwickelten sie ein Nanoblattgerät mit einer beispiellosen Energiespeicherleistung. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano Letters vorgestellt.

Innovationen in der Energiespeichertechnologie sind entscheidend für die optimale Nutzung erneuerbarer Energien und die Massenproduktion von Elektrofahrzeugen. Bestehende Energiespeichertechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien weisen Einschränkungen auf. Dazu gehören lange Ladezeiten und Probleme wie Elektrolytabbau, verkürzte Lebensdauer und sogar die Gefahr einer Selbstentzündung.

Als vielversprechende Alternative haben sich dielektrische Energiespeicherkondensatoren herausgestellt. Diese Kondensatoren besitzen eine sandwichartige Struktur, die aus zwei Metallelektroden besteht, die durch einen festen dielektrischen Film getrennt sind. Von entscheidender Bedeutung sind Dielektrika, also Materialien, die Energie über einen physikalischen Ladungsverschiebungsmechanismus namens Polarisation speichern. Wenn an den Kondensator ein elektrisches Feld angelegt wird, werden die positiven und negativen Ladungen zu gegenüberliegenden Elektroden angezogen, was die Speicherung elektrischer Energie erleichtert.

„Die dielektrischen Kondensatoren haben viele Vorteile, wie zum Beispiel eine kurze Ladezeit von nur wenigen Sekunden, eine lange Lebensdauer und eine hohe Leistungsdichte“, bemerkte Osada. Allerdings ist die Energiedichte aktueller Dielektrika deutlich geringer als der steigende Bedarf an elektrischer Energie, was einen Verbesserungsbedarf impliziert.

Die in einem dielektrischen Kondensator gespeicherte Energie hängt vom Ausmaß der Polarisation ab. Folglich kann eine hohe Energiedichte erreicht werden, indem ein möglichst hohes elektrisches Feld an ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante angelegt wird. Bestehende Materialien sind jedoch durch ihre elektrische Feldkapazität begrenzt.

Um dies zu übertreffen, verwendete die Gruppe Nanoblätter 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 dielektrischen Nanoschichtkondensatoren zeigten eine um ein bis zwei Größenordnungen höhere Energiedichte als ihre Vorgänger bei gleichbleibender hoher Leistungsdichte. 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 (572 °F) 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.“

Referenz: „Ultrahigh Energy Storage in 2D High-κ Perovskites“ von Hyung-Jun Kim, Shu Morita, Ki-Nam Byun, Yue Shi, Takaaki Taniguchi, Eisuke Yamamoto, Makoto Kobayashi, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki und Minoru Osada, 1. Mai 2023, Nano Letters.DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079