에너지 저장 유전체 커패시터를 강화하기 위해 개발된 나노시트 기술

일본 나고야대학교 지속가능성 재료 및 시스템 연구소(IMaSS)의 오사다 미노루(Minoru Osada) 교수가 이끄는 연구 그룹이 NIMS와 협력하여 지금까지 볼 수 없었던 최고의 에너지 저장 성능을 갖춘 나노시트 장치를 개발했습니다.그들의 결과가 발표되었습니다나노문자로.

에너지 저장 기술의 혁신은 재생 에너지의 효과적인 사용과 전기 자동차의 대량 생산에 필수적입니다. 리튬 이온 배터리와 같은 현재 에너지 저장 기술은 충전 시간이 길고 전해질 저하, 수명, 원치 않는 점화 등의 문제가 있습니다.

유망한 대안 중 하나는 유전체 에너지 저장 커패시터입니다. 커패시터의 기본 구조는 고체 유전체 필름으로 분리된 두 개의 금속 전극으로 구성된 샌드위치형 필름입니다. 유전체는 분극이라고 불리는 물리적 전하 치환 메커니즘을 통해 에너지를 저장하는 물질입니다. 커패시터에 전기장이 가해지면 양전하는 음극 쪽으로 끌어당겨집니다. 음전하는 양극 쪽으로 끌어당겨집니다. 그러면 전기 에너지를 저장하는 것은 외부 전기장을 가함으로써 유전체막의 분극화에 달려 있습니다.

“유전체 커패시터는 단 몇 초에 불과한 짧은 충전 시간, 긴 수명, 높은 전력 밀도 등 많은 장점을 갖고 있습니다.”라고 Osada는 말했습니다. 그러나 전류 유전체의 에너지 밀도는 증가하는 전기 에너지 수요를 충족시키기에는 상당히 부족합니다. 에너지 밀도를 높이면 유전체 커패시터가 다른 에너지 저장 장치와 경쟁하는 데 도움이 됩니다.

유전체 커패시터에 저장된 에너지는 분극량과 관련되어 있으므로, 높은 에너지 밀도를 달성하는 열쇠는 유전율이 높은 물질에 가능한 한 높은 전기장을 인가하는 것입니다. 그러나 기존 물질은 처리할 수 있는 전기장의 양에 따라 제한됩니다.

기존의 유전체 연구를 뛰어넘기 위해 이 그룹은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 칼슘, 나트륨, 니오븀 및 산소로 만들어진 나노시트 층을 사용했습니다. “페로브스카이트 구조는 높은 분극화와 같은 우수한 유전 특성을 갖기 때문에 강유전체에 가장 적합한 구조로 알려져 있습니다.”라고 Osada는 설명합니다. "우리는 이 특성을 이용하여 높은 분극을 갖는 유전 물질에 높은 전기장을 적용하고 손실 없이 정전기 에너지로 변환하여 지금까지 기록된 가장 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다는 것을 발견했습니다."

연구 그룹의 연구 결과는 나노시트 유전체 커패시터가 동일한 높은 출력 밀도를 유지하면서 1~2배 더 높은 에너지 밀도를 달성했음을 확인했습니다. 흥미롭게도 나노시트 기반 유전체 커패시터는 여러 번의 사용 주기 동안 안정성을 유지하고 최대 300°C의 고온에서도 안정적인 높은 에너지 밀도를 달성했습니다.

“이번 성과는 유전체 커패시터 개발을 위한 새로운 설계 지침을 제공하며 나노시트의 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 짧은 충전 시간 등의 특성을 활용하는 전고체 에너지 저장 장치에 적용될 것으로 기대됩니다. 몇 초, 긴 수명, 고온 안정성을 제공합니다.”라고 Osada는 말했습니다. “유전체 커패시터는 매우 짧은 시간에 저장된 에너지를 방출하고 강렬한 펄스 전압 또는 전류를 생성하는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 기능은 많은 펄스 방전 및 전력 전자 응용 분야에 유용합니다. 하이브리드 전기 자동차 외에도 고전력 가속기 및 고전력 마이크로파 장치에도 유용할 것입니다.”

- 본 보도자료는 나고야대학교 홈페이지에 게재된 내용입니다.