Material Baru Meningkatkan Penyimpanan Energi Elektrostatis – Kepadatan Energi 19x
Oleh
Penelitian telah menghasilkan kapasitor feroelektrik dengan kepadatan energi 19 kali lipat dari model saat ini dan efisiensi lebih dari 90%, menggunakan heterostruktur 2D/3D/2D baru. Kredit: SciTechDaily.com
Para ilmuwan telah mengembangkan metode baru untuk mengontrol waktu relaksasi kapasitor feroelektrik menggunakan bahan 2D, yang secara signifikan meningkatkan kemampuan penyimpanan energinya. Inovasi ini telah menghasilkan struktur yang meningkatkan kepadatan dan efisiensi energi, menjanjikan kemajuan dalam bidang elektronik berdaya tinggi dan teknologi berkelanjutan.
Kapasitor elektrostatik memainkan peran penting dalam elektronik modern. Mereka memungkinkan pengisian dan pengosongan daya yang sangat cepat, menyediakan penyimpanan energi dan daya untuk perangkat mulai dari ponsel pintar, laptop, dan router hingga perangkat medis, elektronik otomotif, dan peralatan industri. Namun, bahan feroelektrik yang digunakan dalam kapasitor memiliki kehilangan energi yang signifikan karena sifat materialnya, sehingga sulit untuk menyediakan kemampuan penyimpanan energi yang tinggi.
Inovasi dalam Kapasitor Feroelektrik
Sang-Hoon Bae, asisten profesor teknik mesin dan ilmu material di McKelvey School of Engineering di Washington University di St. Louis, telah mengatasi tantangan lama dalam penerapan material feroelektrik untuk aplikasi penyimpanan energi.
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan hari ini (18 April) di jurnal SainsBae dan kolaboratornya, termasuk Rohan Mishra, profesor teknik mesin & ilmu material, dan Chuan Wang, profesor teknik elektro & sistem, keduanya di WashU, dan Frances Ross, Profesor TDK dalam Ilmu dan Teknik Material di DENGANmemperkenalkan pendekatan untuk mengontrol waktu relaksasi – properti material internal yang menggambarkan berapa lama waktu yang dibutuhkan muatan untuk menghilang atau meluruh – kapasitor feroelektrik menggunakan material 2D.
Mengembangkan Heterostruktur Baru
Bekerja sama dengan Bae, mahasiswa doktoral Justin S. Kim dan peneliti pascadoktoral Sangmoon Han mengembangkan heterostruktur 2D/3D/2D baru yang dapat meminimalkan kehilangan energi sekaligus menjaga sifat material yang menguntungkan dari material 3D feroelektrik.
Pendekatan mereka dengan cerdik mengapit material 2D dan 3D dalam lapisan yang sangat tipis secara atom dengan ikatan kimia dan non-kimia yang dirancang secara cermat di antara setiap lapisan. Inti 3D yang sangat tipis disisipkan di antara dua lapisan 2D terluar untuk membuat tumpukan setebal hanya sekitar 30 nanometer. Itu sekitar sepersepuluh ukuran rata-rata virus partikel.
Terobosan dalam Penyimpanan Energi
“Kami menciptakan struktur baru berdasarkan inovasi yang telah kami buat di lab saya yang melibatkan material 2D,” kata Bae. “Awalnya, kami tidak berfokus pada penyimpanan energi, namun selama eksplorasi properti material, kami menemukan fenomena fisik baru yang kami sadari dapat diterapkan pada penyimpanan energi, dan hal tersebut sangat menarik dan berpotensi jauh lebih berguna.”
Heterostruktur 2D/3D/2D dibuat dengan sempurna untuk berada di titik terbaik antara konduktivitas dan nonkonduktivitas di mana bahan semikonduktor memiliki sifat listrik optimal untuk penyimpanan energi. Dengan desain ini, Bae dan kolaboratornya melaporkan kepadatan energi hingga 19 kali lebih tinggi dibandingkan kapasitor feroelektrik yang tersedia secara komersial, dan mereka mencapai efisiensi lebih dari 90%, yang juga belum pernah terjadi sebelumnya.
Dampak pada Elektronik Generasi Berikutnya
“Kami menemukan bahwa waktu relaksasi dielektrik dapat dimodulasi atau diinduksi oleh celah yang sangat kecil pada struktur material,” jelas Bae. “Fenomena fisik baru ini adalah sesuatu yang belum pernah kita lihat sebelumnya. Hal ini memungkinkan kita untuk memanipulasi bahan dielektrik sedemikian rupa sehingga tidak terpolarisasi dan kehilangan kemampuan mengisi daya.”
Saat dunia bergulat dengan pentingnya transisi menuju komponen elektronik generasi mendatang, material heterostruktur baru Bae membuka jalan bagi perangkat elektronik berkinerja tinggi, yang mencakup elektronik berdaya tinggi, sistem komunikasi nirkabel frekuensi tinggi, dan chip sirkuit terintegrasi. Kemajuan ini sangat penting di sektor-sektor yang memerlukan solusi manajemen energi yang kuat, seperti kendaraan listrik dan pembangunan infrastruktur.
Arah dan Penerapan Masa Depan
“Pada dasarnya, struktur yang kami kembangkan ini adalah material elektronik baru,” kata Bae. “Kami belum 100% optimal, namun kinerja kami sudah melebihi apa yang dilakukan laboratorium lain. Langkah kami selanjutnya adalah membuat struktur material ini menjadi lebih baik lagi, sehingga kami dapat memenuhi kebutuhan pengisian dan pengosongan yang sangat cepat serta kepadatan energi yang sangat tinggi pada kapasitor. Kita harus mampu melakukan hal tersebut tanpa kehilangan kapasitas penyimpanan akibat pengisian ulang yang berulang-ulang agar bahan ini dapat digunakan secara luas dalam perangkat elektronik besar, seperti kendaraan listrik, dan teknologi ramah lingkungan lainnya yang sedang berkembang.”
Referensi: “Kepadatan energi tinggi dalam heterostruktur buatan melalui modulasi waktu relaksasi” 18 April 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adl2835
Han S, Kim JS, Park E, Meng Y, Xu Z, Foucher AC, Jung GY, Roh I, Lee S, Kim SO, Moon JY, Kim SI, Bae S, Zhang X, Park BI, Seo S, Li Y , Shin H, Reidy K, Hoang AT, Sundaram S, Vuong P, Kim C, Zhao J, Hwang J, Wang C, Choi H, Kim DH, Kwon J, Park JH, Ougazzaden A, Lee JH, Ahn JH, Kim J, Mishra R, Kim HS, Ross FM, dan Bae SH. Kepadatan energi tinggi dalam heterostruktur buatan melalui modulasi waktu relaksasi. Sains18 April 2024. DOI : X
Pekerjaan ini didukung oleh National Science Foundation (2240995, DMR-2122070 dan DMR-2145797), Samsung Electronics Co., Ltd. (IO221219-04250-01), Korea Institute for Advancement of Technology (P0017305), National Research Foundation of Korea (2015R1A3A2066337), dan Inisiatif Penelitian Universitas Multidisiplin Kantor Penelitian Angkatan Darat (W911NF-21-1-0327). Pekerjaan ini menggunakan sumber daya komputasi melalui alokasi DMR160007 dari program Advanced Cyberinfrastructure Coordinate Ecosystem: Services & Support (ACCESS), yang didukung oleh NSF.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
