Конденсатор, в котором использован зольгелиевый диэлектрик, обладает рекордно большой способностью накапливать электроэнергию

Технологический институт штата Джорджия (DTI)

Используя гибридный силиконовый зольгелиевый материал и самособирающиеся монослои из обычной жирной кислоты, исследователи разработали новый диэлектрический материал для изготовления конденсаторов, который позволяет накапливать электроэнергию, превосходящую возможности известных устройств как в отношении высокого уровня плотности энергии, так и большой плотности мощности.

Новый материал создан на основе тонкой зольгелиевой силиконовой пленки, содержащей полярные группы, связанные с атомами кремния, и наноразмерного самособирающегося монослоя октилфосфоновой кислоты, которая придает композиции необходимые изолирующие свойства. Двухслойная структура препятствует инжекции электронов в зольгелиевый материал, что обеспечивает низкий уровень тока утечки, высокую интенсивность разряда и эффективность извлечения энергии.

О результатах экспериментов, проводившихся при поддержке Исследовательского центра ВМФ и Центра научных исследований ВВС, 14 июля 2015 года сообщалось в журнале Advanced Energy Materials.

Джозеф Перри (Joseph Perry), профессор Школы химии и биохимии GTI и его коллеги из Технического центра органической фотоники и электроники (СОРЕ, штат Джорджия) исследовали и другие материалы для конденсаторов, которые смогли бы обеспечить выполнение этих требований, но не достигли успеха. Они установили, что зольгелиевые материалы обладают большим потенциалом для эффективного решения задачи накопления энергии вследствие наличия у них высоконаправленной ориентации поляризации под действием электрического поля, так что ученые решили применить именно эти материалы для разработки новых конденсаторов.

Используя пленку из алюминированного майлара, покрытую гибридным зольгелиевым материалом, они показали, что конденсаторную пленку можно скрутить и раскрутить несколько раз — при этом высокая плотность энергии сохраняется (таким образом проверялась гибкость материала), но наблюдается ток утечки большой величины. Для того чтобы устранить нежелательный эффект, специалисты нанесли наноразмерный самособирающийся слой из n-октилофосфоновой кислоты поверх гибридного зольгеля. Этот монослой толщиной менее нанометра выполняет роль изолятора.

Исследуя созданные ими структуры, ученые добились максимального значения плотностей извлекаемой при разряде энергии вплоть до 40 Дж/ см3, эффективности отдачи энергии до 72% при силе поля 830 В/мкм и плотности мощности до 520 Вт/см3. Эти характеристики лучше, чем у стандартных электролитических конденсаторов и тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов.

В лабораторных условиях сотрудники группы Перри изготавливали сборки из небольших зольгелиевых конденсаторов для изучения характеристик материала. Устройства собирали на небольшой основе площадью около одного квадратного дюйма.

Прикладывая электрическое поле, ученые наблюдали, как изменяется поляризация — таким образом можно оценить, как много полярных групп выстраивается в линию в направлении поля. При этом поведение поляризации линейно.

Следующим шагом станет увеличение площади материала для того, чтобы посмотреть, сохраняются ли его привлекательные свойства в больших устройствах. В случае успеха Перри надеется выпустить материал на рынок через стартаповую компанию или проект SBIR.