Если материал может быть расширен от лабораторных образцов, устройства, сделанные из него, могли бы превзойти традиционные электролитические конденсаторы для применений в электромагнитном толчке, электромобилях и дефибрилляторах. Конденсаторы часто дополнительные батареи в этих заявлениях, потому что они могут обеспечить большие суммы тока быстро.Новый материал состоит из тонкой пленки геля соль кварца, содержащей полярные группы, связанные с кремниевыми атомами и наноразмерным самособранным монослоем octylphosphonic кислоты, которая обеспечивает изоляционные свойства. Структура двойного слоя блокирует инъекцию электронов в материал геля соль, обеспечивая низкий ток утечки, высокую электрическую прочность и высокую энергетическую эффективность извлечения.
«Гели соль с органическими группами – известные и жирные кислоты, такие как кислоты phosphonic, известны», отметил Джозеф Перри, преподаватель в Школе Химии и Биохимии в Технологическом институте штата Джорджия. «Но в меру нашего знания, это – первый раз, когда эти два типа материалов были объединены в высокоплотные устройства аккумулирования энергии».Об исследовании, поддержанном Офисом Военно-морского Исследования и Офисом Военно-воздушных сил Научного исследования, сообщили 14 июля в журнале Advanced Energy Materials.
Потребность в эффективных, высокоэффективных материалах для хранения электроэнергии росла наряду с постоянно увеличивающимся спросом на электроэнергию в мобильных приложениях. Диэлектрические материалы могут обеспечить быстрое обвинение и освободить от обязательств ответ, высокое аккумулирование энергии и создание условий власти для защиты, медицинского и коммерческого применения. Но это было сложно, чтобы счесть единственный диэлектрический материал способным максимизировать диэлектрическую постоянную, электрическую прочность, плотность энергии и энергетическую эффективность извлечения.Перри и коллеги в Центре Технологического института Джорджии Органической Фотоники и Электроники (ПОКРОВ) работали над другими конденсаторными материалами, чтобы удовлетворить этим требованиям, но не были удовлетворены прогрессом.
Гибридные материалы геля соль показали потенциал для эффективного диэлектрического аккумулирования энергии из-за их высокой ориентационной поляризации под электрическим полем, таким образом, группа решила преследовать эти материалы для новых конденсаторных заявлений.Используя алюминированный фильм майлара, покрытый гибридным материалом конденсатора геля соль, они показали, что конденсатор можно было катить и несколько раз повторно катить, поддерживая высокую плотность энергии, демонстрируя ее гибкость.
Но они все еще видели утечку тока высокого напряжения. Чтобы обратиться к этому, они внесли наноразмерный самособранный монослой n-octylphosphonic кислоты сверху гибридного геля соль. Меньше чем один миллимикрон толщиной, монослой служит слоем изолирования.
«Наш гель соль кварца – гибридный материал, потому что ему приложили полярные органические группы к структуре кварца, которая дает гелю соль высокую диэлектрическую константу, и в нашем диэлектрике двойного слоя, n-octylphosphonic кислотные группы введены между слоем геля соль и главным алюминиевым слоем, чтобы заблокировать инъекцию обвинения в гель соль», объяснил Перри. «Это – действительно гибридный материал двойного слоя, который берет лучший из и из поляризации переориентации и приближается для сокращения инъекции и улучшения энергетического извлечения».В их структурах исследователи продемонстрировали максимальную извлекаемую плотность энергии до 40 джоулей за кубический сантиметр, энергетическую эффективность извлечения 72 процентов в полевой силе 830 В за микрон и плотности энергии 520 ватт за кубический сантиметр. Работа превышает работу обычных электролитических конденсаторов и литий-ионных аккумуляторов тонкой пленки, хотя это не соответствует форматам литий-ионного аккумулятора, обычно используемым в электронных устройствах и транспортных средствах.«Это – первый раз, когда я видел, что конденсатор бьет батарею на плотности энергии», сказал Перри. «Комбинация высокой плотности энергии и мощной плотности необычна в конденсаторном мире».
Исследователи в лаборатории Перри делали множества маленьких конденсаторов геля соль в лаборатории, чтобы собрать информацию о работе материала. Устройства сделаны на маленьких основаниях приблизительно квадратом дюйма.«Что мы видим, когда мы обращаемся, электрическое поле – то, что ответ поляризации – который имеет размеры, сколько полярные группы выравнивают стабильным способом с областью – ведет себя линейным способом», сказал Перри. «Это – то, что Вы хотите видеть в конденсаторном диэлектрическом материале».
Следующий шаг должен будет расширить материалы, чтобы видеть, переходят ли привлекательные свойства к более крупным устройствам. Если это будет успешно, Перри ожидает коммерциализировать материал через компанию по запуску или проект SBIR.«Простота полностью основанных на растворе процессов для нашей диэлектрической материальной системы обеспечивает потенциал для поверхностного увеличения масштаба и фальсификации на гибких платформах», написали авторы в их статье. «Эта работа подчеркивает важность управления диэлектрическим электродом интерфейсом, чтобы максимизировать исполнение диэлектрических материалов для применения аккумулирования энергии».
В дополнение к Перри исследовательская группа включала Юнсэнга Кима, Мохэнэлингэма Кэзэперумэла и Винсента Чена из Школы Технологического института Джорджии Химии и Биохимии; парк Yohan из Школы Технологического института Джорджии Материаловедения и Разработки; Кэнек Фуентес-Эрнандес и Бернард Киппелен из Школы Технологического института Джорджии Электротехники и Вычислительной техники и Ming-куриной Кастрюли из Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории.