Ёмкостные накопители энергии за 1 секунду: новый метод

Исследователи из Института металлургических исследований (IMR) Китайской академии наук (CAS) разработали революционный метод производства емкостных накопителей энергии. Технология позволяет создавать устройства размером с пластину всего за одну секунду, используя уникальный процесс "ледяно-огненной" ковки с экстремальными скоростями нагрева и охлаждения до 1000°C в секунду.

Эта разработка, представленная в журнале Science Advances, открывает новые горизонты для создания следующего поколения высокопроизводительных накопителей энергии. Диэлектрические емкости играют ключевую роль в силовых электронных устройствах, таких как импульсные лазеры и электромобили, благодаря своей способности быстро заряжаться и разряжаться, а также работать в экстремальных условиях.

Основной проблемой в разработке таких устройств всегда была сложность достижения высокой энергоемкости, устойчивости к перепадам температур и пригодности для массового производства. Традиционные методы, включающие химическое легирование или создание структурных дефектов, являются трудоемкими и неэффективными для масштабирования.

Новый метод "флэш-отжига" решает эти проблемы. Скорость нагрева и охлаждения до 1000°C в секунду позволяет синтезировать пленку релаксорного антиферроэлектрика на основе цирконата свинца на кремниевой пластине всего за одну секунду.

Суть технологии "ледяно-огненной" ковки заключается в том, что она эффективно "замораживает" высокотемпературную параэлектрическую фазовую структуру материала при комнатной температуре. Это создает нанодомены размером менее 3 нанометров, которые формируют сложную сетку. Эта структура стимулирует высокопроизводительное релаксорное антиферроэлектрическое поведение, обеспечивая высокую эффективность накопления энергии.

Кроме того, процесс флэш-отжига способствует формированию более плотной и однородной структуры пленки, а также предотвращает испарение летучих соединений свинца. В результате пленка выдерживает очень высокие электрические поля, демонстрируя сильную поляризацию и увеличивая плотность накопления энергии до 63,5 Дж/см³.

Емкости, изготовленные по этой технологии, также отличаются выдающейся термической стабильностью. Даже после многократных циклов нагрева от -196°C (температура жидкого азота) до 400°C, деградация плотности накопления энергии и эффективности составляет менее 3%. Это означает, что накопители могут надежно работать как в условиях космического вакуума, так и в высокотемпературных средах, например, при глубоководном бурении.

Технология отличается простотой внедрения и масштабируемостью. Исследователи уже успешно создали однородные высокопроизводительные пленки на двухдюймовых кремниевых пластинах, что открывает путь к промышленному производству интегрированных решений для хранения энергии.