기록

Aug 18, 2023

나고야 대학 2023년 7월 18일

2D High-κ 페로브스카이트의 초고에너지 저장. 크레딧 : 오사다 미노루, 나고야 대학

연구원들은 나노시트 기술을 사용하여 전례 없는 에너지 저장 밀도와 안정성을 제공하는 고급 유전체 커패시터를 개발했습니다. 이 획기적인 발전은 재생 에너지 사용과 전기 자동차 생산을 크게 향상시킬 수 있습니다.

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 일본 나고야 대학은 나노시트 기술을 혁신적으로 적용하여 유전체 커패시터를 만들었습니다. 이러한 개발은 첨단 전자 및 전력 시스템에 중요한 의미를 갖습니다. 에너지 저장 기술의 혁신은 재생 에너지의 효과적인 사용과 전기 자동차의 대량 생산에 필수적입니다. 유전체 커패시터는 기술의 주요 발전으로, 지금까지 기록된 최고의 에너지 저장 밀도를 자랑합니다. 다른 유용한 기능으로는 빠른 충전 시간, 높은 출력, 수명, 뛰어난 고온 안정성 등이 있습니다.

나고야대학교 지속가능성 재료 및 시스템 연구소(IMaSS)의 오사다 미노루 교수가 이끄는 연구 그룹은 NIMS와 협력했습니다. 그들은 함께 전례 없는 에너지 저장 성능을 보여주는 나노시트 장치를 개발했습니다. 그들의 획기적인 결과는 Nano Letters 저널에 게재되었습니다.

에너지 저장 기술의 혁신은 재생 에너지의 최적 활용과 전기 자동차의 대량 생산에 매우 중요합니다. 리튬이온 배터리와 같은 기존 에너지 저장 기술에는 한계가 있습니다. 여기에는 충전 시간이 길고 전해질 저하, 수명 단축, 자연 발화 위험 등의 문제도 포함됩니다.

유전체 에너지 저장 커패시터가 유망한 대안으로 떠올랐습니다. 이 커패시터는 고체 유전체 필름으로 분리된 두 개의 금속 전극으로 구성된 샌드위치형 구조를 가지고 있습니다. 분극으로 알려진 물리적 전하 치환 메커니즘을 통해 에너지를 저장하는 물질인 유전체가 핵심입니다. 커패시터에 전기장이 가해지면 양전하와 음전하가 반대쪽 전극을 향해 끌어당겨 전기 에너지 저장이 용이해집니다.

“유전체 커패시터는 단 몇 초에 불과한 짧은 충전 시간, 긴 수명, 높은 전력 밀도 등 많은 장점을 갖고 있습니다.”라고 Osada는 말했습니다. 그러나 현재 유전체의 에너지 밀도는 증가하는 전기 에너지 수요보다 상당히 낮으므로 개선이 필요합니다.

유전체 커패시터에 저장된 에너지는 분극량과 연관되어 있습니다. 결과적으로, 유전율이 높은 물질에 최대한 높은 전기장을 가함으로써 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다. 그러나 기존 물질은 전기장 용량에 의해 제한됩니다.

이를 뛰어넘기 위해 연구진은 페로브스카이트 결정 구조를 지닌 칼슘, 나트륨, 니오븀, 산소로 구성된 나노시트를 활용했다. “페로브스카이트 구조는 높은 분극화와 같은 우수한 유전 특성을 갖기 때문에 강유전체에 가장 적합한 구조로 알려져 있습니다.”라고 Osada는 설명합니다. "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."

나노시트 유전체 커패시터는 동일한 높은 출력 밀도를 유지하면서 이전 제품보다 1~2배 더 높은 에너지 밀도를 보여주었습니다. 흥미롭게도 나노시트 기반 유전체 커패시터는 여러 번의 사용 주기에 걸쳐 안정성을 유지하고 최대 300°C(572°F)의 고온에서도 안정적인 높은 에너지 밀도를 달성했습니다.