エネルギー貯蔵誘電体コンデンサを強化するために開発されたナノシート技術

名古屋大学未来材料・システム研究所（IMaSS）の長田稔教授率いる研究グループは、NIMSと共同で、これまでにない最高のエネルギー貯蔵性能を備えたナノシートデバイスを開発した。彼らの結果は公表されましたナノレターで。

再生可能エネルギーの有効利用と電気自動車の量産には、エネルギー貯蔵技術の革新が不可欠です。 リチウムイオン電池などの現在のエネルギー貯蔵技術には、充電時間が長く、電解質の劣化、寿命、さらには不要な発火などの問題があります。

有望な代替品の 1 つは、誘電体エネルギー貯蔵コンデンサです。 コンデンサの基本構造は、固体誘電体膜で分離された 2 つの金属電極で構成されるサンドイッチ状の膜です。 誘電体は、分極と呼ばれる物理的な電荷変位メカニズムを通じてエネルギーを蓄積する材料です。 コンデンサに電界がかかると、正電荷が負極に向かって引き寄せられます。 マイナス電荷はプラス電極に向かって引き寄せられます。 次に、電気エネルギーの蓄積は、外部電界の印加による誘電体膜の分極に依存します。

「誘電体コンデンサには、わずか数秒という短い充電時間、長い寿命、高い電力密度など、多くの利点があります」と長田氏は述べた。 しかし、現在の誘電体のエネルギー密度は、増加する電気エネルギーの需要を満たすには大幅に不足しています。 エネルギー密度を高めることは、誘電体コンデンサが他のエネルギー貯蔵デバイスと競争するのに役立ちます。

誘電体コンデンサに蓄えられるエネルギーは分極の量に関係しているため、高いエネルギー密度を達成する鍵は、高誘電率材料にできるだけ高い電界を印加することです。 ただし、既存の材料は、処理できる電場の量によって制限されます。

従来の誘電体の研究を超えるために、このグループは、ペロブスカイト結晶構造を持つカルシウム、ナトリウム、ニオブ、酸素で作られたナノシートの層を使用しました。 「ペロブスカイト構造は、高い分極など優れた誘電特性を備えているため、強誘電体に最適な構造として知られています」と長田氏は説明する。 「この特性を利用することで、高分極を有する誘電体材料に高電場を印加し、損失なく静電エネルギーに変換し、これまでに記録された最高のエネルギー密度を達成できることがわかりました。」

研究グループの研究結果は、ナノシート誘電体キャパシタが同じ高出力密度を維持しながら、1～2桁高いエネルギー密度を達成したことを確認した。 興味深いことに、ナノシートベースの誘電体コンデンサは、複数回の使用サイクルにわたって安定性を維持し、最大 300°C の高温でも安定した高いエネルギー密度を実現しました。

「この成果は、誘電体キャパシタの開発に新たな設計ガイドラインを提供するものであり、高エネルギー密度、高出力密度、最短充電時間というナノシートの特徴を活用した全固体エネルギー貯蔵デバイスへの適用が期待されます」数秒、長寿命、高温安定性が特長です」と長田氏は語った。 「誘電体コンデンサは、非常に短時間で蓄積されたエネルギーを放出し、強力なパルス状の電圧または電流を生成する能力を持っています。 これらの機能は、多くのパルス放電およびパワー エレクトロニクス アプリケーションで役立ちます。 ハイブリッド電気自動車に加えて、高出力加速器や高出力マイクロ波装置にも役立つでしょう。」

- このプレスリリースは元々名古屋大学のウェブサイトに掲載されたものです