Физики из Калифорнийского университета в Беркли создали новый материал, который объединяет преимущества конденсаторов и аккумуляторов. Полученное устройство обладает сверхвысокой емкостью и быстрой скоростью заряда. Статья об открытии опубликована в журнале Science.

Конденсаторы быстро накапливают и высвобождают электрическую энергию. Эти устройства — ключевой компонент современной электроники и энергетических систем. Но наиболее часто используемые из них имеют низкую плотность хранения энергии по сравнению, например, с батареями или топливными элементами, которые, в свою очередь, не могут быстро разряжаться и заряжаться.

Американские исследователи придумали функциональный материал, который мог бы в конечном счете объединить эффективность, надежность и скорость заряда конденсаторов с емкостью аккумуляторных батарей. Потенциально такой материал найдет применение в персональных электронных устройствах, носимых технологиях и автомобильных аудиосистемах.

Материал основан на так называемом сегнетоэлектрическом релаксоре. Это керамический материал, который способен накапливать энергию при резком механическом или электронном воздействии и обычно используется в качестве конденсатора. Приложенное к такому материалу электрическое поле изменяет ориентацию электронов в нем.

В то же время, поле управляет изменением энергии в таких материалах, что делает их хорошим кандидатом для использования не только в качестве маломощных конденсаторов. Однако есть одна проблема. Она заключается в оптимизации сегнетоэлектрика так, чтобы его можно было заряжать при высоких напряжениях и разряжать очень быстро без повреждений.

Авторы новой работы добились этого, введя в материал локальные дефекты, которые позволили ему выдерживать большие напряжения.

Размещение сегнетоэлектрического материала между двумя электродами и увеличение электрического поля приводит к накоплению заряда. Во время разряда количество доступной энергии зависит от того, насколько сильно электроны материала ориентируются или поляризуются в ответ на электрическое поле.

Однако большинство таких материалов, как правило, не выдерживают электрического поля с высокой напряженностью. Поэтому американские физики решили модифицировать традиционный материал.

Для этого они бомбардировали тонкую пленку высокоэнергетическими ионами, благодаря чему смогли ввести в нее изолированные дефекты. Дефекты задерживают электроны материала, препятствуя их движению и уменьшая проводимость пленки на порядки.

Измерения показали, что бомбардировка пленки ионами увеличивает плотность накопления энергии материалов более чем в два раза, и на 50% повышает эффективность накопления энергии. Ученые показали, что такой метод позволяет также улучшить другие диэлектрические материалы для увеличения их емкости и устранить некоторые проблемы в уже синтезированных веществах.