記録

Aug 18, 2023

名古屋大学2023年7月18日

2D High-κ ペロブスカイトの超高エネルギー貯蔵。 クレジット: 長田 実、名古屋大学

研究者は、ナノシート技術を使用して、前例のないエネルギー貯蔵密度と安定性を提供する高度な誘電体コンデンサを開発しました。 この画期的な進歩により、再生可能エネルギーの利用と電気自動車の生産が大幅に向上する可能性があります。

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">日本の名古屋大学は、ナノシート技術を革新的に応用して誘電体コンデンサを作成しました。 この開発は、高度な電子および電力システムにとって重要な意味を持っています。 再生可能エネルギーの有効利用と電気自動車の量産には、エネルギー貯蔵技術の革新が不可欠です。 誘電体コンデンサは技術の大きな進歩であり、これまでに記録された中で最高のエネルギー蓄積密度を誇ります。 その他の有益な機能には、迅速な充電時間、高出力、長寿命、優れた高温安定性などがあります。

同研究グループは、名古屋大学未来材料・システム研究所（IMaSS）の長田稔教授らの研究グループとNIMSとの共同研究によるもの。 彼らは協力して、前例のないエネルギー貯蔵性能を示すナノシートデバイスを開発しました。 彼らの画期的な結果は、雑誌「Nano Letters」に掲載されました。

再生可能エネルギーの最適な利用と電気自動車の大量生産には、エネルギー貯蔵技術の革新が不可欠です。 リチウムイオン電池などの既存のエネルギー貯蔵技術には限界があります。 これらには、長い充電時間や、電解液の劣化、寿命の短縮、さらには自然発火のリスクなどの問題が含まれます。

誘電体エネルギー貯蔵コンデンサは、有望な代替品として浮上しています。 これらのコンデンサは、固体誘電体膜で分離された 2 つの金属電極で構成されるサンドイッチ状の構造を持っています。 分極として知られる物理的な電荷変位機構を介してエネルギーを蓄積する材料である誘電体が鍵となります。 コンデンサに電界がかかると、正と負の電荷が反対側の電極に引き寄せられ、電気エネルギーの蓄積が促進されます。

「誘電体コンデンサには、わずか数秒という短い充電時間、長い寿命、高い電力密度など、多くの利点があります」と長田氏は述べました。 しかし、現在の誘電体のエネルギー密度は増加する電気エネルギー需要よりも大幅に低いため、強化の必要性が示唆されています。

誘電体コンデンサに蓄えられるエネルギーは分極の量に関係します。 したがって、高誘電率材料にできるだけ高い電界を印加することにより、高いエネルギー密度を達成することができる。 しかし、既存の材料は電界容量によって制限されています。

これを超えるために、同グループ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、酸素で構成されるナノシートを利用した。 「ペロブスカイト構造は、高い分極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」と長田氏は説明する。 「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。」

ナノシート誘電体コンデンサは、同じ高い出力密度を維持しながら、以前のものよりも 1 ～ 2 桁高いエネルギー密度を示しました。 興味深いことに、ナノシートベースの誘電体コンデンサは、複数回の使用サイクルにわたって安定性を維持し、最大 300°C (572°F) の高温でも安定した高いエネルギー密度を実現しました。