Сами изобретатели признаются, что сделали это «непреднамеренно», то есть по ошибке.
Мы случайно разработали конденсаторы из новых гетероструктур, обладающих уникальным свойством. Оно в разы снижает скорость рассеивания энергии, но при этом позволяет конденсаторам заряжаться с очень большой скоростью
— Санг-Хун Бэ, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Вашингтонского университета.
Новое открытие, уверены исследователи, сможет просто разительно увеличить время работы многих потребительских устройств, например, таких, как смартфоны, ноутбуки и электрические автомобили. Также изобретение даст второе дыхание сфере накопления энергии в масштабах больших электрических сетей.
Свои исследования и выводы научная команда подробно описала в статье, которая вышла 18 апреля 2024 года в журнале Science.
Немного теории
Аккумуляторы — это одно из лучших и важных изобретений человечества. Они могут накапливать и сохранять в себе энергию в течение долгого времени. Однако у этих устройств есть одно неприятное в эксплуатации свойство. Как правило, они долго аккумулируют заряд, а потом столь же медленно отдают его.
Именно поэтому аккумуляторы всегда работают в команде с конденсаторами. Последние могут быстро отдать заряд устройству и также стремительно зарядиться от электрического поля.
Простой пример. Смартфоны получают питание от аккумуляторной батареи, но когда нужно сделать резкую вспышку на фотокамере, энергия поступает исключительно от конденсаторов. Поэтому их в каждом современном телефоне установлены сотни.
В некоторых конденсаторах для хранения энергии используются сегнетоэлектрические материалы. Эти материалы имеют естественную поляризацию, которую можно изменить, подав напряжение. Когда поляризация меняется на противоположную, она остается в конденсаторе как «память», даже после снятия напряжения. Но у конденсаторов тоже есть одна большая проблема — в сравнении с батареями они крайне неэффективно сохраняют энергию в течение долгого периода времени.
19-кратный прирост
Похоже, что ученым из Сент-Луиса удалось победить данную трудность. Открытая ими новая структура крайне удачно обеспечивает физическое и химическое равновесие между проводимостью и непроводимостью электрического тока. И это позволяет в разы успешнее, чем было до этого, удерживать заряд.
Это удивительное открытие произошло, как это часто бывает, самым случайным образом. Исследователи неожиданно для себя обнаружили, что если сделать микроскопический зазор в сердечнике, то время релаксации значительно увеличивается. Данным термином физики называют период, когда конденсатор полностью утрачивает имеющийся в нем заряд.
Мы обнаружили, что время релаксации диэлектрика может модулироваться или индуцироваться очень небольшим зазором в структуре материала. Этого нового физического явления мы раньше не видели. Оно позволяет нам манипулировать диэлектрическим материалом таким образом, чтобы он не поляризовывался и не терял способность заряжать
— доцент Санг-Хун Бэ.
Если прибегать к аналогиям, то новая гетероструктура для уникального конденсатора похожа на лазанью, только вместо макарон здесь уложены слоями 2D и 3D материалы. Слои соединяются на атомарном уровне, сохраняя химические и нехимические связи между каждым уровнем. Толщина всей конструкции составляет примерно 30 нанометров. Для сравнения: человеческий волос в 30 000 раз толще.
Слои в инновационном конденсаторе. Все понятно даже без перевода
В ходе неоднократных экспериментов мы убедились, что открытая нами новая технология способна обеспечить в 19 раз большую плотность энергии, чем предлагают существующие в данный момент конденсаторы. Что касается эффективности, то КПД нового устройства превышает 90%
— выдержка из исследовательской работы.
Ждем долгоиграющих устройств
На самом деле, это очень достойный, даже, можно сказать, поразительный результат. Лучший КПД, который до этого демонстрировали новейшие сегнетоэлектрические конденсаторы, составлял 86,95%. Информация об этом была опубликована в июле прошлого года в журнале Materials.
Эксперты уже сейчас прогнозируют, что в скором времени новые конденсаторы должны сильно изменить многие сценарии пользования электроэнергией. Теперь к энергии открыт очень быстрый доступ по первому требованию. При этом не страдает стабильность долгосрочного хранения этой самой энергии.
Особенный бонус от невероятной плотности конденсаторов получат электромобили, которым просто необходимо длительное сохранение энергии. Да и пользователям смартфонов и ноутбуков новое открытие придется крайне по вкусу. Девайс, который заряжается почти моментально, а потом неделями хранит заряд? Дайте два!
