Разработаны наноструктурированные конденсаторы для возобновляемых хранилищ энергии

Исследователи из США предложили новую конструкцию конденсаторов на основе инновационного композитного материала, состоящего из керамики и стекла, которая потенциально применима для создания возобновляемых хранилищ энергии, полученной от ветра и солнца. По мнению ученых, главная особенность новой конструкции в ее потенциале масштабирования и экономической эффективности.

Ископаемые виды топлива представляют собой удобное, легко транспортируемое решение, позволяющее запасать энергию с высокой плотностью. Заставить отказаться от этого вида топлива мировую экономику может лишь более экономически эффективное решение, включающее в себя не только источник энергии и способ ее преобразования в электричество или тепло, но и устройства сохранения полученных запасов. Глобально проблема хранения энергии является ключевой для повсеместного распространения электростанций, получающих энергию от таких возобновляемых источников, как солнце и ветер.

Для накапливания энергии, накопленной благодаря ветряным турбинам и солнечным панелям, могут использоваться емкостные хранилища. Хорошо на роль структурных элементов такого хранилища подходят наноструктурированные конденсаторы, отличающиеся большой удельной мощностью и быстротой перезарядки. К слову, помимо производства нового типа хранилищ они могут открыть новые горизонты в электронике, оборонной промышленности и других приложениях.

Рис. 1. Сечение разработанной многослойной конструкции с указанием отдельных сегнетоэлектрических и стекло-керамических слоев.

Идея сохранения электрической энергии за счет диэлектрических материалов также стара, как и сами диэлектрики. Но, применительно к эффективным хранилищам энергии данный подход до сих пор не рассматривался из-за ограничений самих материалов. Однако исследователи из Rensselaer Polytechnic Institute (США) нашли путь для усовершенствования технологии. Точно также, как многослойные конденсаторы оптимизированы для силовой электроники, по их мнению,

наноструктурированные устройства оказываются эффективны для высоких плотностей энергии. Для получения желаемых емкостей в таких устройствах используется чрезвычайно тонкий диэлектрический слой при большой площади контакта.

В своей работе ученые использовали наноструктурированные композитные конденсаторы, состоящие из керамики и стекла, геометрия которых напоминала хорошо знакомые многослойные конденсаторы. Очевидно, что высокая плотность энергии, на которую должен быть рассчитан такой конденсатор, определяет требования к структурному материалу: он должен выдерживать сильные электрические поля до 1 МВт/см и обладать крайне высокой диэлектрической проницаемостью (более 100 000).

Подобные показатели ранее были получены исследователями для небольших монокристаллов, в тонких пленках и объемной керамике. Но перед учеными стояла задача объединить преимущества всех описанных ранее экспериментов для создания экономически эффективного способа производства конденсатора. В предложенном ими решении для создания конструкции используются специальный сегнетоэлектрический порошок, а также легкоплавкие керамические слои, лишенные щелочи.

Хотя созданный прототип и структурирован на нано-уровне, свойства структурных материалов позволили достичь наилучших показателей.

Сейчас ученые находятся на пути оптимизации используемых керамических и стеклянных материалов для создания нанокомпозита. Параллельно оптимизируется производственный процесс.

1. spie.org

2. sci-lib.com