מחקרים יצרו קבל פרו-אלקטרי עם צפיפות אנרגיה פי 19 מצפיפות האנרגיה של דגמים נוכחיים ולמעלה מ-90% יעילות, תוך שימוש במבנים הדו-ממדיים/תלת-ממדיים/דו-מימדיים חדשים. קרדיט: twoday.co.il.com
מדענים פיתחו שיטה חדשה לשלוט בזמן ההרפיה של קבלים פרו-אלקטריים באמצעות חומרים דו-ממדיים, מה שמשפר משמעותית את יכולות אחסון האנרגיה שלהם. חדשנות זו הובילה למבנה המשפר את צפיפות האנרגיה והיעילות, ומבטיח התקדמות באלקטרוניקה בעלת הספק גבוה וטכנולוגיות בר קיימא.
קבלים אלקטרוסטטיים ממלאים תפקיד מכריע באלקטרוניקה המודרנית. הם מאפשרים טעינה ופריקה מהירה במיוחד, ומספקים אחסון אנרגיה וכוח למכשירים החל מסמארטפונים, מחשבים ניידים ונתבים ועד מכשירים רפואיים, אלקטרוניקה לרכב וציוד תעשייתי. עם זאת, לחומרים הפרו-אלקטריים המשמשים בקבלים יש אובדן אנרגיה משמעותי בשל תכונות החומר שלהם, מה שמקשה על אספקת יכולת אחסון אנרגיה גבוהה.
חידושים בקבלים פרואלקטריים
Sang-Hoon Bae, עוזר פרופסור להנדסת מכונות ומדעי החומרים בבית הספר להנדסה מק'קלווי באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, התייחס לאתגר רב השנים בפריסת חומרים פרו-אלקטריים ליישומי אחסון אנרגיה.
במחקר שפורסם היום (18 באפריל) בכתב העת מַדָעBae ומשתפי הפעולה שלו, כולל רוהאן מישרה, פרופסור חבר להנדסת מכונות ומדעי החומרים, וצ'ואן וואנג, פרופסור חבר להנדסת חשמל ומערכות, שניהם ב-WashU, ופרנסס רוס, פרופסור TDK למדע והנדסת חומרים ב- MITהציג גישה לשליטה בזמן הרפיה – תכונה חומר פנימית המתארת כמה זמן לוקח למטען להתפוגג או להתפרק – של קבלים פרו-אלקטריים באמצעות חומרים דו-ממדיים.
פיתוח מבנים הטרו-מבנים חדשים
בעבודה עם Bae, הדוקטורנט ג'סטין ס. קים והחוקר הפוסט-דוקטורט Sangmoon Han פיתחו מבנים הדו-ממדיים/תלת-ממדיים חדשניים שיכולים למזער אובדן אנרגיה תוך שמירה על תכונות החומר המועילות של חומרים תלת-ממדיים פרו-אלקטריים.
הגישה שלהם מחברת בחוכמה חומרים דו-ממדיים ותלת-ממדיים בשכבות דקות מבחינה אטומית עם קשרים כימיים ולא כימיים מהונדסים בקפידה בין כל שכבה. ליבה תלת-ממדית דקה מאוד מוכנסת בין שתי שכבות דו-ממדיות חיצוניות כדי ליצור ערימה בעובי של כ-30 ננומטר בלבד. זה בערך עשירית מהגודל של ממוצע נגיף חֶלְקִיק.
פריצת דרך באחסון אנרגיה
"יצרנו מבנה חדש המבוסס על החידושים שכבר עשינו במעבדה שלי, הכולל חומרים דו-ממדיים," אמר Bae. "בתחילה, לא התמקדנו באחסון אנרגיה, אבל במהלך החקירה שלנו אחר תכונות החומר, מצאנו תופעה פיזיקלית חדשה שהבנו שניתן ליישם אותה באחסון אנרגיה, וזה היה גם מאוד מעניין וגם הרבה יותר שימושי."
המבנים ההטרו-ממדיים 2D/3D/2D מעוצבים היטב כדי לשבת בנקודה המתוקה בין מוליכות לחוסר מוליכות, כאשר לחומרים מוליכים למחצה יש תכונות חשמליות אופטימליות לאחסון אנרגיה. עם תכנון זה, Bae ושותפי הפעולה שלו דיווחו על צפיפות אנרגיה גבוהה עד פי 19 מאשר קבלים פרו-אלקטריים זמינים מסחרית, והם השיגו יעילות של למעלה מ-90%, וזה גם חסר תקדים.
השפעה על הדור הבא של אלקטרוניקה
"מצאנו שזמן הרפיה דיאלקטרי יכול להיות מווסת או מושרה על ידי פער קטן מאוד במבנה החומר", הסביר Bae. "התופעה הפיזית החדשה הזו היא משהו שלא ראינו קודם לכן. זה מאפשר לנו לתפעל חומר דיאלקטרי בצורה כזו שהוא לא מקטב ולא מאבד את יכולת הטעינה".
בעוד העולם מתמודד עם הציווי של המעבר לרכיבי אלקטרוניקה מהדור הבא, החומר ההטרו-מבנה החדש של Bae סולל את הדרך להתקנים אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים, הכוללים אלקטרוניקה בעלת הספק גבוה, מערכות תקשורת אלחוטיות בתדר גבוה ושבבי מעגלים משולבים. ההתקדמות הללו חיונית במיוחד במגזרים הדורשים פתרונות ניהול כוח חזקים, כגון כלי רכב חשמליים ופיתוח תשתיות.
כיוונים ויישומים עתידיים
"ביסודו של דבר, המבנה הזה שפיתחנו הוא חומר אלקטרוני חדש", אמר ביי. "אנחנו עדיין לא אופטימליים ב-100%, אבל אנחנו כבר מעלים על מה שמעבדות אחרות עושות. הצעדים הבאים שלנו יהיו להפוך את מבנה החומר הזה לטוב עוד יותר, כדי שנוכל לענות על הצורך בטעינה ופריקה מהירה במיוחד ובצפיפות אנרגיה גבוהה מאוד בקבלים. עלינו להיות מסוגלים לעשות זאת מבלי לאבד קיבולת אחסון על פני טעינות חוזרות ונשנות כדי לראות את החומר הזה בשימוש נרחב באלקטרוניקה גדולה, כמו כלי רכב חשמליים, וטכנולוגיות ירוקות מתפתחות אחרות."
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (2240995, DMR-2122070 ו-DMR-2145797), Samsung Electronics Co., Ltd. (IO221219-04250-01), המכון של קוריאה לקידום טכנולוגיה (P0017305), המחקר הלאומי קרן קוריאה (2015R1A3A2066337), ויוזמת המחקר הרב-תחומית של משרד המחקר של הצבא (W911NF-21-1-0327). עבודה זו השתמשה במשאבי חישוב באמצעות הקצאת DMR160007 מהתוכנית Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS), הנתמכת על ידי NSF.
