Полимерные электролитические конденсаторы — ключевые компоненты в современной силовой электронике. Они выдерживают высокое напряжение, быстро заряжаются и разряжаются, работают стабильно. Но с развитием гибридных автомобилей, добычи нефти и газа, авиакосмической техники потребовались материалы, способные работать при температурах выше 150°C. Обычный полипропилен, который используют сейчас, с такой задачей не справляется — он перегревается уже при 105°C и запасает мало энергии.

Ученые обратили внимание на полиэфиримид (PEI) — у него высокая температура стеклования и низкие диэлектрические потери.

Но есть проблема: при нагреве ток утечки резко растет, из-за чего теряется энергия и перегревается система. Чтобы конденсаторы не выходили из строя, нужно одновременно повысить их электроизоляционные свойства и теплопроводность.

Команда исследователей из Центрального Южного университета (Китай) и Университета Вуллонгонга (Австралия) предложила необычное решение.

Они синтезировали углеродные квантовые точки (CQDs) в промышленных масштабах и встроили их в структуру PEI. Эти наночастицы создают сеть, которая «ловит» свободные электроны и заставляет их двигаться по более сложному пути.

Результаты опубликованы в издании Advanced Powder Materials.

Благодаря этому новый материал PEI-NH2-CQDs сохраняет высокое сопротивление даже при 200°C, — объясняет Сяона Ли, ведущий автор исследования.

Кроме того, такой конденсатор запасает 3,6 Дж/см³ энергии и отдает ее с КПД больше 90%. А его теплопроводность — 0,65 Вт/ (м·К), что снижает риск перегрева.

Это серьезный шаг к созданию надежных конденсаторов для экстремальных условий, — добавляет Ли.

Технология уже готова к масштабированию, что открывает дорогу для промышленного применения.

Главное преимущество — возможность создавать компактные и надежные энергонакопители для:

• Электромобилей — меньше перегрев, больше эффективность.
• Бурового оборудования — устойчивость к высоким температурам в скважинах.
• Космических аппаратов — стабильность в условиях вакуума и перепадов температур.

Это может ускорить переход на возобновляемую энергетику, где важны быстрые и эффективные накопители.

Отметим, что исследователи не уточняют, как поведет себя материал после тысяч циклов заряда-разряда. Высокая эффективность при 200°C — это отлично, но если через год эксплуатации свойства ухудшатся, практическая ценность снизится.

Ранее ученые нашли альтернативу ферроэлектрикам.