Исследователи изменили диэлектрический конденсатор, устройство, которое накапливает и регулирует энергию и обычно используется в электронике и электрических системах. Используя легирующие примеси – небольшие технические материалы, также называемые метаматериалами, – исследователи изменили диэлектрический конденсатор, чтобы увеличить емкость, а также повысить эффективность электрического заряда, что означает, что конденсатор может выдерживать большее напряжение с очень небольшими потерями энергии при температурах выше 300 градусов по Фаренгейту.
В то время как другие исследователи смогли сделать это для диэлектрических конденсаторов, эти методы были слишком дорогими для масштабирования для использования с реальными продуктами. Чжан и другие исследователи штата Пенсильвания сообщили о своих результатах в недавнем выпуске журнала Science Advances.
«Что мы сделали, так это использовали эффекты границы раздела в нанодопантах для увеличения как эффективности хранения, так и прочности электрического пробоя с очень небольшим количеством легирующих добавок и по низкой цене», – сказал Чжан. «Многие люди думают, что им нужно заполнить конденсатор большим количеством наполнителей для достижения большей эффективности хранения энергии, но мы показали, что вы можете добиться этого в обратном направлении, то есть используя наполнители с очень низким объемом и очень недорогие материалы, которые также могут привести к большей прочности на пробой. Это снижает стоимость и обеспечивает высокую масштабируемость."
Повышение прочности электрического пробоя в конденсаторе позволит устройству выдерживать более высокие температуры без сбоев в системе. Это важная особенность многих электронных и электрических систем, в том числе электромобилей, промышленных сверл и электрических сетей.
«В гибридных электромобилях теперь используется конденсатор, сделанный из материала, известного как БОПП», – сказал Чжан. "Они хорошо работают при температуре до 80 градусов Цельсия (176 градусов по Фаренгейту). Однако автомобили могут сильно нагреваться, поэтому необходимо использовать охлаждающий агент.
Это увеличивает стоимость, а также добавляет объем. Теперь вы можете использовать этот новый конденсатор с метаматериалами меньшего размера, чтобы заменить существующий конденсатор и не беспокоиться о контуре охлаждения, поскольку он может выдерживать более высокие температуры."
Оборудование, используемое для глубокого бурения, также потенциально выиграет от наличия повышенного температурного порога и меньшего по размеру и менее дорогого конденсатора.
Электрическая сеть потенциально выиграет от этого нового технологического развития, в частности, с точки зрения повышения энергоэффективности и повышенной прочности электрического пробоя.
«Мы не создавали новый материал, но, используя метаматериалы таким образом, мы можем значительно улучшить характеристики существующих материалов без дополнительных затрат», – сказал Чжан.
Другие исследователи штата Пенсильвания, работающие над этим проектом: Тянь Чжан, аспирант в области электротехники и информатики, и Синь Чен, аспирант в области материаловедения и инженерии, оба первые авторы; Яш Тхакур, аспирант в области электротехники и информатики; Блао Лу и Клян Чжан, докторанты в области электротехники и информатики; и Джеймс Рант, почетный профессор науки о полимерах.