تطوير جهاز للصفائح النانوية لتعزيز المكثفات العازلة لتوفير أعلى أداء تخزين الطاقة حتى الآن

تعد الابتكارات في تكنولوجيا تخزين الطاقة أمرًا حيويًا للاستخدام الفعال للطاقة المتجددة والإنتاج الضخم للسيارات الكهربائية. تتمتع تقنية تخزين الطاقة الحالية ، مثل بطاريات الليثيوم أيون ، بأوقات ومشكلات شحن طويلة ، بما في ذلك تدهور الإلكتروليت والعمر وحتى الاشتعال غير المرغوب فيه.

أحد البدائل الواعدة هو مكثفات تخزين الطاقة العازلة، الهيكل الأساسي للمكثف عبارة عن فيلم يشبه الساندويتش مصنوع من قطبين معدنيين مفصولين بفيلم عازل صلب، المواد العازلة هي المواد التي تخزن الطاقة من خلال آلية إزاحة الشحنة الفيزيائية تسمى الاستقطاب.

التنافس مع أجهزة تخزين الطاقة الأخرى

عندما يتم تطبيق مجال كهربائي على المكثف، تنجذب الشحنات الموجبة نحو القطب السالب، تنجذب الشحنات السالبة نحو القطب الموجب، بعد ذلك ، يعتمد تخزين الطاقة الكهربائية على استقطاب الفيلم العازل عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي.

قال البروفيسور مينورو أوسادا: “للمكثفات العازلة للكهرباء العديد من المزايا، مثل وقت الشحن القصير لبضع ثوانٍ فقط، والعمر الطويل، وكثافة الطاقة العالية “، ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة للعوازل الحالية تقل بشكل كبير عن تلبية الطلبات المتزايدة للطاقة الكهربائية، إن تحسين كثافة الطاقة سيساعد المكثفات العازلة على التنافس مع أجهزة تخزين الطاقة الأخرى.

نظرًا لأن الطاقة المخزنة في مكثف عازل كهربائي مرتبطة بكمية الاستقطاب ، فإن مفتاح تحقيق كثافة طاقة عالية هو تطبيق مجال كهربائي عالي قدر الإمكان على مادة ثابتة عازلة عالية. ومع ذلك ، فإن المواد الموجودة محدودة بكمية المجال الكهربائي التي يمكنها التعامل معها.

طاقة كهروستاتيكية دون خسارة

لتجاوز أبحاث العوازل التقليدية، استخدمت المجموعة طبقات من الصفائح النانوية المصنوعة من الكالسيوم والصوديوم والنيوبيوم والأكسجين مع بنية بلورية بيروفسكايت.

يوضح أوسادا: “يُعرف هيكل البيروفسكايت بأنه أفضل هيكل للكهرباء الفيروكهربائية ، نظرًا لخصائصه العازلة الممتازة مثل الاستقطاب العالي”، مضيفا “وجدنا أنه باستخدام هذه الخاصية ، يمكن تطبيق مجال كهربائي عالٍ على المواد العازلة ذات الاستقطاب العالي، وتحويلها إلى طاقة كهروستاتيكية دون خسارة ، وتحقيق أعلى كثافة طاقة تم تسجيلها على الإطلاق.”

المكثفات العازلة للصفائح النانوية حققت كثافة طاقة أعلى

أكدت النتائج التي توصلت إليها مجموعة البحث، بقيادة البروفيسور مينورو أوسادا في معهد المواد والأنظمة من أجل الاستدامة (IMaSS) بجامعة ناجويا في اليابان ، بالتعاون مع NIMS ، أن المكثفات العازلة للصفائح النانوية حققت كثافة طاقة أعلى بمقدار 1-2 أوامر مع الحفاظ على نفس كثافة الإخراج العالية، المثير للإعجاب أن المكثف العازل القائم على الصفيحة النانوية حقق كثافة طاقة عالية حافظت على ثباته على مدى دورات استخدام متعددة، وكان مستقرًا حتى في درجات حرارة عالية تصل إلى 300 درجة مئوية.

وأوضح “يوفر هذا الإنجاز إرشادات تصميم جديدة لتطوير المكثفات العازلة ومن المتوقع أن يتم تطبيقه على جميع أجهزة تخزين الطاقة ذات الحالة الصلبة التي تستفيد من ميزات ورقة النانو ذات كثافة الطاقة العالية وكثافة الطاقة العالية، ووقت الشحن القصير بأقل من بضع ثوان ، وعمر طويل ، واستقرار في درجات الحرارة المرتفعة “.

وأكد ، “تمتلك المكثفات العازلة القدرة على إطلاق الطاقة المخزنة في وقت قصير للغاية، وإنشاء جهد أو تيار نبضي مكثف، هذه الميزات مفيدة في العديد من تطبيقات التفريغ النبضي والطاقة الإلكترونية، بالإضافة إلى المركبات الكهربائية الهجينة ، فإنها ستكون مفيدة أيضًا في مسرعات الطاقة العالية، وأجهزة الميكروويف عالية الطاقة”.