Vật liệu này được chế tạo từ các cấu trúc dị thể nhân tạo được làm bằng màng 2D và 3D độc lập có mật độ năng lượng cao hơn tới 19 lần so với các tụ điện hiện có trên thị trường.
Tụ tĩnh điện đóng một vai trò quan trọng trong thiết bị điện tử hiện đại. Chúng cho phép sạc và xả cực nhanh, cung cấp năng lượng và lưu trữ năng lượng cho các thiết bị từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay và bộ định tuyến đến thiết bị y tế, thiết bị điện tử ô tô và thiết bị công nghiệp. Tuy nhiên, vật liệu sắt điện được sử dụng trong tụ điện có tổn thất năng lượng đáng kể do đặc tính vật liệu của chúng, gây khó khăn cho việc cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng cao.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science, Sang-Hoon Bae, trợ lý giáo sư về kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Trường Kỹ thuật McKelvey thuộc Đại học Washington ở St. Louis, đã giải quyết thách thức lâu dài này trong việc triển khai vật liệu sắt điện cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng.
Bae và các cộng tác viên của ông, bao gồm Rohan Mishra, Phó Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Khoa học vật liệu, và Chuan Wang, Phó Giáo sư Kỹ thuật Điện và Hệ thống, và Frances Ross, Giáo sư chuyên ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại MIT, đã giới thiệu một phương pháp kiểm soát thời gian phục hồi – một đặc tính vật liệu bên trong mô tả thời gian để điện tích tiêu tan hoặc phân rã – của tụ điện sắt sử dụng vật liệu 2D.
|
Vật liệu mới cách mạng hóa việc lưu trữ năng lượng
|
Cùng nhóm nghiên cứu với Bae, nghiên cứu sinh Justin S. Kim và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Sangmoon Han đã phát triển các cấu trúc dị thể 2D/3D/2D mới có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng trong khi vẫn bảo toàn được các đặc tính vật liệu có lợi của vật liệu 3D sắt điện.
Cách tiếp cận của họ khéo léo kẹp các vật liệu 2D và 3D thành các lớp mỏng nguyên tử với các liên kết hóa học và phi hóa học được thiết kế cẩn thận giữa mỗi lớp. Một lõi 3D rất mỏng được chèn vào giữa hai lớp 2D bên ngoài để tạo thành một lớp chỉ dày khoảng 30 nanomet. Đó là khoảng một phần mười kích thước của một hạt virus trung bình.
Bae nói: "Chúng tôi đã tạo ra một cấu trúc mới dựa trên những cải tiến mà chúng tôi đã thực hiện trong phòng thí nghiệm của mình liên quan đến vật liệu 2D. Ban đầu, chúng tôi không tập trung vào việc lưu trữ năng lượng, nhưng trong quá trình khám phá các đặc tính vật chất, chúng tôi đã tìm thấy một hiện tượng vật lý mới mà chúng tôi nhận ra rằng có thể áp dụng vào việc lưu trữ năng lượng và điều đó vừa rất thú vị vừa có khả năng hữu ích hơn nhiều".
Các cấu trúc dị thể 2D/3D/2D được chế tạo tinh xảo để nằm ở điểm cân bằng giữa tính dẫn điện và tính không dẫn điện, nơi vật liệu bán dẫn có đặc tính điện tối ưu để lưu trữ năng lượng. Với thiết kế này, Bae và các cộng tác viên đã báo cáo mật độ năng lượng cao hơn tới 19 lần so với các tụ điện sắt điện hiện có trên thị trường và họ đạt được hiệu suất trên 90%, điều này cũng là điều chưa từng có.
Bae giải thích: "Chúng tôi nhận thấy rằng thời gian hồi phục điện môi có thể được điều chỉnh hoặc gây ra bởi một khe rất nhỏ trong cấu trúc vật liệu. Hiện tượng vật lý mới đó là điều chúng ta chưa từng thấy trước đây. Nó cho phép chúng tôi điều khiển vật liệu điện môi theo cách mà nó không bị phân cực và mất khả năng tích điện".
Khi thế giới vật lộn với nhu cầu chuyển đổi sang các linh kiện điện tử thế hệ tiếp theo, vật liệu cấu trúc dị thể mới của Bae mở đường cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao, bao gồm các thiết bị điện tử công suất cao, hệ thống liên lạc không dây tần số cao và chip mạch tích hợp. Những tiến bộ này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực đòi hỏi giải pháp quản lý năng lượng mạnh mẽ, chẳng hạn như xe điện và phát triển cơ sở hạ tầng.
Link gốc