ナノシート技術により誘電体コンデンサのエネルギー密度が向上

Jul 25, 2023

これまでにない最高のエネルギー貯蔵性能を備えたナノシートデバイス。

再生可能エネルギーの効果的な利用には、手頃な価格で柔軟なエネルギー貯蔵技術が不可欠であり、クリーン エネルギーをさまざまな新しい用途に導入できるようになります。 リチウムイオン電池などの現在のエネルギー貯蔵技術は、長い充電時間、電解質の劣化、寿命、さらには望ましくない発火などの課題に直面しています。

有望な代替品の 1 つは、誘電体エネルギー貯蔵コンデンサです。これには、わずか数秒の短い充電時間、長寿命、高電力密度など、多くの利点があります。 したがって、それらは理想的で安全なエネルギー貯蔵デバイスとなり得ます。 しかし、現在の誘電体コンデンサは、バッテリやスーパーコンデンサなどの他のエネルギー貯蔵デバイスと比較して、エネルギー密度がはるかに低いです。

今回、日本の名古屋大学が率いる研究チームは、NIMSと共同で、ナノシート技術を利用して、これまでにない最高のエネルギー貯蔵性能を備えた誘電体コンデンサを開発した。

誘電体コンデンサが蓄えることができる電気エネルギーの量は、分極の量に影響されます。 したがって、高いエネルギー密度を達成する鍵は、高誘電率材料にできるだけ高い電界を印加することです。 ただし、既存の材料は処理できる電界の量によって制限されます。

この問題を解決するために、研究者らはペロブスカイト結晶構造を持つカルシウム、ナトリウム、ニオブ、酸素で作られたナノシートの層を使用しました。 個々のナノシートは、単層の形態であっても、従来の誘電体材料を超える超高い絶縁耐力を示します。 多層積層ナノシート コンデンサは、超高エネルギー密度、高効率、優れた信頼性、温度安定性を示します。

「ペロブスカイト構造は、高い分極率など優れた誘電特性を備えているため、強誘電体に最適な構造として知られています」と名古屋大学未来材料システム研究所（IMaSS）の長田稔教授は説明する。 「この特性を利用することで、高分極を有する誘電体材料に高電場を印加し、損失なく静電エネルギーに変換し、これまでに記録された最高のエネルギー密度を達成できることがわかりました。」

研究チームの研究結果は、ナノシート誘電体コンデンサのエネルギー密度が同じ高い出力密度を維持しながら1～2倍増加したことを確認した。 さらに、ナノレイヤーベースの誘電体コンデンサは、最大 300°C の温度でも、複数回の使用サイクルにわたって安定性を維持する高いエネルギー密度を達成しました。

「この成果は、誘電体キャパシタの開発に新たな設計ガイドラインを提供するものであり、高エネルギー密度、高電力密度、わずかな充電時間で短い充電時間というナノシートの特徴を活用する全固体エネルギー貯蔵デバイスへの適用が期待されます」数秒、長寿命、高温安定性が特長です」と長田氏は語った。

「誘電体コンデンサは、非常に短時間で蓄積されたエネルギーを放出し、強力なパルス状の電圧または電流を生成する能力を持っています。 これらの機能は、多くのパルス放電およびパワー エレクトロニクス アプリケーションで役立ちます。 ハイブリッド電気自動車に加えて、高出力加速器や高出力マイクロ波装置にも役立つでしょう。」

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