Când vine vorba de creșterea eficienței stocării electrice și a puterii de avarie electrice - capacitatea unui sistem electric de a funcționa la tensiuni și temperaturi mai ridicate cu o eficiență mare - creșterea unuia a dus la scăderea celeilalte. Cercetătorii Penn State, conduși de Qiming Zhang, un profesor distins de inginerie electrică, au dezvoltat recent o metodă scalabilă care se bazează pe materiale proiectate pentru a crește ambele proprietăți.

toleranța

Cercetătorii au modificat un condensator dielectric, un dispozitiv care stochează și reglează energia și este utilizat în mod obișnuit în sistemele electronice și electrice. Folosind dopanți - materiale mici, proiectate și numite metamateriale - cercetătorii au modificat condensatorul dielectric pentru a crește capacitatea de stocare, crescând în același timp eficiența încărcării electrice, ceea ce înseamnă că condensatorul poate rezista la o tensiune mai mare cu pierderi de energie foarte mici la temperaturi mai mari de 300 de grade Fahrenheit.

În timp ce alți cercetători au reușit să facă acest lucru pentru condensatorii dielectrici, metodele au fost prea scumpe pentru a fi utilizate pentru produse reale. Zhang și alți cercetători din Penn State au raportat rezultatele lor într-un număr recent al Science Advances.

„Ceea ce am făcut este să folosim efecte de interfață în nano-dopanți pentru a crește atât eficiența stocării, cât și puterea de rupere electrică cu o cantitate foarte mică de dopanți și la un cost redus”, a spus Zhang. „O mulțime de oameni cred că trebuie să umple condensatorul cu o mulțime de umpluturi pentru a obține o eficiență mai mare de stocare a energiei, dar am arătat că îl puteți realiza în direcția opusă, adică folosind umpluturi cu conținut foarte mic, cu -materiale cu costuri, care pot duce, de asemenea, la o rezistență mai mare la avarie. Acest lucru menține costul scăzut și face acest lucru foarte scalabil. "

Creșterea puterii electrice de rupere într-un condensator va permite dispozitivului să facă față temperaturilor mai ridicate fără o defecțiune a sistemului. Aceasta este o trăsătură importantă în multe sisteme electronice și electrice, inclusiv mașini electrice, burghie industriale și rețele electrice.

"Vehiculele electrice hibride folosesc acum un condensator dintr-un material cunoscut sub numele de BOPP", a spus Zhang. "Funcționează bine până la 80 de grade Celsius (176 de grade F). Cu toate acestea, vehiculele se pot încălzi foarte tare, deci trebuie să utilizați un agent de răcire. Crește costul și adaugă și volum. Acum, puteți folosi acest nou condensator cu metamateriale., care sunt mai mici, pentru a înlocui condensatorul existent și nu vă faceți griji cu privire la bucla de răcire, deoarece poate suporta temperaturi mai ridicate. "

Echipamentele utilizate pentru forarea profundă vor beneficia, de asemenea, de pe urma unui prag crescut de temperatură și a unui condensator mai mic, mai puțin costisitor. Rețeaua electrică va beneficia potențial de această nouă dezvoltare tehnologică, în special în ceea ce privește eficiența energetică sporită și rezistența mai mare la defectarea electrică.

"Nu am creat un material nou, dar folosind metamaterialele în acest fel, putem îmbunătăți foarte mult performanța materialelor existente fără a adăuga costuri", a spus Zhang.

Alți cercetători din Penn State care lucrează la acest proiect sunt Tian Zhang, student absolvent în inginerie electrică și informatică, și Xin Chen, student absolvent în știința materialelor și inginerie, ambii primii autori; Yash Thakur, student absolvent în inginerie electrică și informatică; Blao Lu și Qlyan Zhang, bursieri postdoctorali în inginerie electrică și informatică; și James Runt, profesor emerit al științei polimerilor.