Kondensatorer som snabbt lagrar och frigör elektrisk energi är nyckelkomponenter i modern elektronik och kraftsystem. Dock, de mest använda har låg energitäthet jämfört med andra lagringssystem som batterier eller bränsleceller, som i sin tur inte kan laddas ur och laddas snabbt utan att ta skada.

Nu, som rapporterats i tidskriften Vetenskap , forskare har hittat det bästa av två världar. Genom att introducera isolerade defekter till en typ av kommersiellt tillgänglig tunn film i ett enkelt efterbearbetningssteg, ett team ledd av forskare vid Department of Energys (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har visat att ett vanligt material kan bearbetas till ett högpresterande energilagringsmaterial.

Forskningen stöds av Materialprojektet, en onlinedatabas med öppen tillgång som praktiskt taget levererar den största samlingen av materialegenskaper till forskare runt om i världen. I dag, Materialprojektet kombinerar både beräknings- och experimentella ansträngningar för att, bland andra mål, påskynda designen av nya funktionella material. Detta inkluderar att förstå sätt att manipulera kända material på sätt som förbättrar deras prestanda.

Växande krav på kostnadsreduktion och enhetsminiatyrisering har drivit en push mot utveckling av kondensatorer med hög energitäthet. Kondensatorer används ofta i elektroniska enheter för att upprätthålla strömförsörjningen medan ett batteri laddas. Det nya materialet som utvecklats vid Berkeley Lab skulle i slutändan kunna kombinera effektiviteten, pålitlighet, och robusthet hos kondensatorer med energilagringskapaciteten hos storskaliga batterier. Tillämpningar inkluderar personliga elektroniska enheter, bärbar teknologi, och bilstereosystem.

Materialet är baserat på en så kallad "relaxor ferroelektrisk, " som är ett keramiskt material som genomgår ett snabbt mekaniskt eller elektroniskt svar på ett externt elektriskt fält och som vanligtvis används som en kondensator i applikationer som ultraljud, trycksensorer, och spänningsgeneratorer.

Det applicerade fältet driver förändringar i orienteringen av elektronerna i materialet. På samma gång, fältet driver en förändring av energin som lagras i materialen, vilket gör dem till en bra kandidat för användning utöver en småskalig kondensator. Problemet att lösa är hur man optimerar ferroelektriken så att den kan laddas till höga spänningar och laddas ur mycket snabbt - miljarder gånger eller mer - utan att ta skada som skulle göra den olämplig för långvarig användning i applikationer som datorer och fordon .

Forskare i labbet av Lane Martin, en fakultetsforskare vid Materials Sciences Division (MSD) vid Berkeley Lab och professor i materialvetenskap och teknik vid University of California, Berkeley, uppnådde detta genom att introducera lokala defekter som gjorde att den kunde motstå större spänningar.

"Du har förmodligen upplevt relaxor ferroelektrisk på en gasolgrill. Knappen som tänder grillen driver en fjäderbelastad hammare som slår en piezoelektrisk kristall, som är en typ av relaxor, och skapar en spänning som tänder gasen, " förklarade Martin. "Vi har visat att de också kan göras till några av de bästa materialen för energilagringsapplikationer också."

Att placera ett ferroelektriskt material mellan två elektroder och öka det elektriska fältet gör att laddning byggs upp. Under utskrivning, mängden tillgänglig energi beror på hur starkt materialets elektroner orienterar, eller bli polariserad, som svar på det elektriska fältet. Dock, de flesta sådana material kan vanligtvis inte motstå ett stort elektriskt fält innan materialet går sönder. Den grundläggande utmaningen, därför, är att hitta ett sätt att öka det maximala möjliga elektriska fältet utan att offra polarisationen.

Forskarna vände sig till ett tillvägagångssätt som de tidigare utvecklat för att "stänga av" konduktiviteten i ett material. Genom att bombardera en tunn film med laddade partiklar med hög energi som kallas joner, de kunde introducera isolerade defekter. Defekterna fångar materialets elektroner, förhindrar deras rörelse och minskar filmens konduktivitet i storleksordningar.

"Inom ferroelektrik, som ska vara isolatorer, att ha laddning som läcker genom dem är ett stort problem. Genom att bombardera ferroelektrik med strålar av högenergijoner, vi visste att vi kunde göra dem till bättre isolatorer, sa Jieun Kim, doktorand i Martins grupp och huvudförfattare på tidningen. "Vi frågade då, skulle vi kunna använda samma tillvägagångssätt för att få en relaxor ferroelektrisk att motstå större spänningar och elektriska fält innan den katastrofalt misslyckas?"

Svaret visade sig vara "ja". Kim tillverkade först tunna filmer av en prototypisk relaxor-ferroelektrisk som kallas blymagnesiumniobite-blytitanat. Sedan, han riktade in sig på filmerna med högenergi-heliumjoner på Ion-Beam Analysis Facility som drivs av Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division vid Berkeley Lab. Heliumjonerna slog ut måljoner från sina platser för att skapa punktdefekter. Mätningar visade att den jonbombarderade filmen hade mer än dubbelt så mycket energilagringstäthet som tidigare rapporterade värden och 50 procent högre verkningsgrad.

"Vi förväntade oss ursprungligen att effekterna mest skulle bero på att minska läckaget med isolerade punktdefekter. vi insåg att förändringen i förhållandet mellan polarisationen och det elektriska fältet på grund av några av dessa defekter var lika viktig, ", sa Martin. "Denna förändring innebär att det krävs större och större applicerade spänningar för att skapa den maximala förändringen i polarisation." Resultatet tyder på att jonbombardement kan hjälpa till att övervinna kompromissen mellan att vara mycket polariserbar och lätt brytbar.

Samma jonstrålemetod skulle också kunna förbättra andra dielektriska material för att förbättra energilagring, och ger forskare ett verktyg för att reparera problem i redan syntetiserade material. "Det skulle vara fantastiskt att se folk använda dessa jonstrålemetoder för att "läka" material i enheter i efterhand om deras syntes eller produktionsprocess inte gick perfekt, sa Kim.