Нанокомпозитний накопичувач електричної енергії

Реферат: Нанокомпозитний накопичувач електричної енергії належить до електроніки, а саме до джерел живлення, і може бути використаний для пристроїв накопичення електричної енергії на основі матеріалів з шаруватою кристалічною структурою. Накопичувач містить матрицю шаруватого напівпровідника селеніду галію (GaSe) з інтеркальованими нанорозмірними включеннями нітрату рубідію (RbNO3). Технічним результатом є забезпечення енергонакопичувальних властивостей матеріалу на основі моноселеніду галію, а також розширення арсеналу нових сполук, в першу чергу таких, що поєднують на молекулярному рівні напівпровідникові та сегнетоелектричні шари, тобто сполуки з поперемінними центросиметричними і нецентросиметричними молекулярними площинами. UA 103848 C2 (12) UA 103848 C2 UA 103848 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до створення перспективних джерел живлення нового покоління і може бути використаний для пристроїв накопичення електричної енергії на основі матеріалів з шаруватою кристалічною структурою. На даний час відомий цілий ряд шаруватих кристалів [1], що мають цікаві фізичні властивості та важливе практичне застосування [2-5]. Серед вказаної групи матеріалів особливе місце займають шаруваті напівпровідники, зокрема селенід галію - GaSe. Маючи високоякісну шаруватість структури та інші унікальні властивості [1], він знаходить все нові застосування [2-5]. В основу винаходу поставлена задача забезпечення енергонакопичувальних властивостей матеріалу на основі моноселеніду галію, а також розширення арсеналу нових сполук, в першу чергу таких, що поєднують на молекулярному рівні напівпровідникові та сегнетоелектричні шари, тобто сполуки з поперемінними центросиметричними і нецентросиметричними молекулярними площинами. Найбільш близький аналог даного винаходу описаний в [6]. Однак, запропонований в [6] накопичувач електричної енергії має максимальну робочу напругу 50 В. Поставлена задача вирішується тим, що в область вандерваальсових зв'язків моноселеніду галію інтеркалюють сегнетоелектричний матеріал - нітрат рубідію (RbNO3) за методом прямого експонування кристала-хазяїна (тобто GaSe) в розплав гостьової сполуки (RbNO3) при температурі 365-411 °C протягом 11÷62 хв. Було встановлено, що, на відміну від моноселеніду галію, при прикладанні постійного електричного поля перпендикулярно шарам сполуки GaSe відбувається накопичення енергії, що проявляється в виникненні напруги після "заряджання" від зовнішнього джерела. Приклад конкретного виконання Напівпровідникові монокристали GaSe вирощувалися методом Бріджмена з стехіометричного складу компонент. З великих злитків отриманих монокристалів механічним сколюванням, наприклад лезом, відокремлювалися вздовж шарів пластинки розміром 3 мм × 3 мм × 1 мм. Сегнетоелектричний матеріал нітрат рубідію (RbNO3) плавився в порцеляновому посуді при температурі 365÷411 °C. Приготовлені пластинки GaSe повністю занурювали в розплав, де молекули RbNO3 інтеркалювалися в кристал-матрицю GaSe (процес інтеркаляції). Дані рентгеноструктурного аналізу вказують на отримання нанокомпозитного матеріалу GaSe у результаті інтеркаляції (Фіг. 1). Параметри кристалічної ґратки GaSe становлять а=3,7550 і с=31,8903, a RbNO3 - а=10,4996 і с=7,3810, що засвідчують впровадження RbNO3 в кристалічну матрицю GaSe [7]. Після інтеркаляції до отриманих зразків на площини, перпендикулярні кристалографічній осі С, наносили омічні контакти, і весь зразок зі всіх сторін герметизували за допомогою силіконового герметика. Приготовлені таким чином зразки були використані як накопичувачі електричної енергії. До контактів зразка прикладалося постійне електричне поля напруженістю 200 В протягом 10 хвилин. У результаті, після припинення дії зовнішнього електричного поля, на обкладинках зразка зберігалася напруга ≈19,5 В. Питома віддавана енергія складала 105,4 кДж/кг. Питома енергія становила 29,1 Вт·год./кг. Запропонований нанокомпозитний накопичувач електричної енергії працює у діапазоні робочих напруг: 50…200 В. Діапазон робочих температур: -40…+50. У таблиці 1 наведено дані порівняння енергетичних характеристик запропонованого нанокомпозитного накопичувача електричної енергії з іншими джерелами струму. 45 Таблиця 1 620ИКЭ1 120ВМО 100 × 10ЭК SuperCap 08/400 D0063-Р125 303 ЭЛТОН Wima ТехноКор Maxwell Питома віддавана 2 енергія, кДж/кг Діапазон робочих напруг, 800-400 В Робоча -45…+50 температура, °C Запропонований MC нанокомпозитний накопичувач електричної енергії 7 15 4,7 105,4 810-405 800-400 14 50-200 -40…+65 -50…+70 -30…+65 -40…+50 1 UA 103848 C2 У таблиці 2 проводиться порівняння енергетичних характеристик запропонованого нанокомпозитного накопичувача електричної енергії з іншими типами накопичувачів електричної енергії. Таблиця 2 Тип Акумулятори накопичувача Показники Кислотні Лужні Запропонований нанокомпозитний накопичувач Літій-іонні промислові експериментальні електричної енергії Електрохімічні конденсатори Питома енергія, 20…40 15…80 80…220 Вт·год./ кг Pecуpc, циклів 100…400 300…2000 500…2500 2…10 6 >10 48…85 6 >10 29,1 6 >10 5 10 15 20 Джерела інформації: 1. Товстюк К.Д. Полупроводниковое материаловедение. - К.: Наукова думка.-1984.-264 с. 2. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology // Nature Photonics.-2007. - V. l. - No. 2. - P. 97-105. 3. Pu Zhao, Srinivasa Ragam, Ding Y.J., Zotova І.B. Power scalability and frequency agility of compact terahertz source based on frequency mixing from solid-state lasers // Appl. Phys. Lett.-2011. - V.98. - No.13. - P. 131106-1-131106-3. 4. Tadao Tanabe, Ken Suto, Jun-ichi Nishizawa, Tetsuo Sasaki. Characteristics of terahertz-wave generation from GaSe crystals // J. Phys. D: Appl. Phys.-2004. - V. 37. - P. 155-158. 5. Allakhverdiev K.R., Yetis M.Ö., Özbek S., Baykara Т.К., Salaev E.Yu. Effective Nonlinear GaSe Crystal. Optical Properties and Applications // Laser Physics.-2009. - Vol. 19. - No. 5. - P. 1092-1104. 6. A.c. (СССР) 1720307. Интеркалированный материал / И.И. Григорчак, В.В. Нетяга, З.Д. Ковалюк, К.Д. Товстюк. 7. Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия. - М.: Химия.-1970.-408 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Нанокомпозитний накопичувач електричної енергії, що містить матрицю шаруватого напівпровідника селеніду галію (GaSe) з інтеркальованими нанорозмірними включеннями, який відрізняється тим, що як інтеркалянт використовують сполуку нітрату рубідію (RbNO3). 2 UA 103848 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3