Ett diagram över den dielektriska kondensatorforskningen utvecklad av ett forskarteam som leds av University of Delaware. Kredit:Kathy F. Atkinson/University of Delaware
21 oktober, 2015, var dagen då Doc Brown och Marty McFly landade i framtiden i deras DeLorean, med tidsresor möjliggjorda av en "flödeskondensator".
Medan flödeskondensatorn fortfarande framkallar sci-fi-bilder, kondensatorer är nu nyckelkomponenter i bärbar elektronik, datorsystem, och elfordon.
Till skillnad från batterier, som erbjuder hög lagringskapacitet men långsam leverans av energi, kondensatorer ger snabb leverans men dålig lagringskapacitet.
En hel del ansträngningar har lagts ner på att förbättra denna funktion – känd som energitäthet – hos dielektriska kondensatorer, som innefattar ett isolerande material inklämt mellan två ledande metallplattor.
Nu, en grupp forskare vid University of Delaware och den kinesiska vetenskapsakademin har framgångsrikt använt nanoteknik för att uppnå detta mål.
Arbetet redovisas i en tidning, "Dielektriska kondensatorer med tredimensionella nanoskala interdigitala elektroder för energilagring, " publicerad i Vetenskapens framsteg .
"Med vårt tillvägagångssätt, vi uppnådde en energitäthet på cirka två watt per kilogram, vilket är betydligt högre än för andra dielektriska kondensatorstrukturer som rapporterats i litteraturen, säger Bingqing Wei, professor i maskinteknik vid UD.
"Så vitt vi vet, detta är första gången som interdigitala elektroder i 3D-nanoskala har realiserats i praktiken, " tillägger han. "Med deras höga yta i förhållande till deras storlek, Kolnanorör inbäddade i unikt designade och strukturerade 3D-arkitekturer har gjort det möjligt för oss att ta itu med den låga förmågan hos dielektriska kondensatorer att lagra energi."
University of Delawares Bingqing Wei är en del av ett forskarlag som har rapporterat om användningen av nanoteknik för att förbättra energitätheten hos dielektriska kondensatorer. Kredit:Kathy F. Atkinson/University of Delaware
En av nycklarna till framgången för den nya kondensatorn är en sammanflätad design – som liknar sammanvävda fingrar mellan två händer med "handskar" – som dramatiskt minskar avståndet mellan motsatta elektroder och därför ökar förmågan hos kondensatorn att lagra en elektrisk laddning.
En annan viktig egenskap hos kondensatorerna är att den unika nya tredimensionella elektroden i nanoskala också erbjuder högspänningsnedbrytning, vilket innebär att det integrerade dielektriska materialet (aluminiumoxid, Al2O3) misslyckas inte lätt i sin avsedda funktion som isolator.
"I motsats till tidigare versioner, vi förväntar oss att våra nystrukturerade dielektriska kondensatorer är mer lämpade för fälttillämpningar som kräver lagring med hög energitäthet, såsom tillbehörsströmförsörjning och hybridkraftsystem, " säger Wei.
