나노시트 기술로 유전체 커패시터의 에너지 밀도 향상

Jul 25, 2023

지금까지 볼 수 없었던 최고의 에너지 저장 성능을 갖춘 나노시트 장치입니다.

재생 에너지를 효과적으로 사용하려면 저렴하고 유연한 에너지 저장 기술이 필수적이며 청정 에너지를 다양한 새로운 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 리튬 이온 배터리와 같은 현재 에너지 저장 기술은 긴 충전 시간, 전해질 저하, 수명, 원치 않는 점화와 같은 문제에 직면해 있습니다.

유망한 대안 중 하나는 유전체 에너지 저장 커패시터로, 이는 단 몇 초에 불과한 짧은 충전 시간, 긴 수명, 높은 전력 밀도 등 많은 장점을 가지고 있습니다. 따라서 이상적이고 안전한 에너지 저장 장치가 될 수 있습니다. 그러나 전류 유전체 커패시터는 배터리 및 슈퍼커패시터와 같은 다른 에너지 저장 장치에 비해 에너지 밀도가 훨씬 낮습니다.

이제 일본 나고야 대학이 이끄는 연구팀은 NIMS와 협력하여 나노시트 기술을 사용하여 지금까지 볼 수 없었던 최고의 에너지 저장 성능을 갖춘 유전체 커패시터를 개발했습니다.

유전체 커패시터가 저장할 수 있는 전기 에너지의 양은 분극의 양에 의해 영향을 받습니다. 따라서 높은 에너지 밀도를 달성하는 열쇠는 유전율이 높은 물질에 최대한 높은 전기장을 인가하는 것이다. 그러나 기존 물질은 처리할 수 있는 전기장의 양에 따라 제한됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 칼슘, 나트륨, 니오븀 및 산소로 만들어진 나노시트 층을 사용했습니다. 개별 나노시트는 단층 형태에서도 기존 유전 물질의 유전 강도를 초과하는 초고 유전 강도를 나타냅니다. 다층 적층형 나노시트 커패시터는 초고에너지 밀도, 고효율, 우수한 신뢰성 및 온도 안정성을 나타냅니다.

나고야대학교 지속가능성 재료 및 시스템 연구소(IMaSS) 오사다 미노루(Minoru Osada) 교수는 “페로브스카이트 구조는 높은 분극화 등 우수한 유전 특성을 갖고 있어 강유전체에 가장 적합한 구조로 알려져 있다”고 설명했다. "우리는 이 특성을 이용하여 높은 분극을 갖는 유전 물질에 높은 전기장을 적용하고 손실 없이 정전기 에너지로 변환하여 지금까지 기록된 가장 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있다는 것을 발견했습니다."

연구팀의 연구 결과, 나노시트 유전체 커패시터의 에너지 밀도는 동일하게 높은 출력 밀도를 유지하면서 1~2배 증가한 것으로 확인됐다. 또한, 나노층 기반 유전체 커패시터는 최대 300°C의 온도에서도 여러 번의 사용 주기 동안 안정성을 유지하는 높은 에너지 밀도를 달성했습니다.

“이 성과는 유전체 커패시터 개발을 위한 새로운 설계 지침을 제공하며 나노시트의 높은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 짧은 충전 시간 등의 특성을 활용하는 전고체 에너지 저장 장치에 적용될 것으로 기대됩니다. 몇 초, 긴 수명, 고온 안정성 등이 특징입니다.”라고 Osada는 말했습니다.

“유전체 커패시터는 매우 짧은 시간에 저장된 에너지를 방출하고 강렬한 펄스 전압 또는 전류를 생성하는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 기능은 많은 펄스 방전 및 전력 전자 응용 분야에 유용합니다. 하이브리드 전기 자동차 외에도 고전력 가속기 및 고전력 마이크로파 장치에도 유용할 것입니다.”

저널 참고자료: