EFRI-RESTOR Novel Ceramic Glass Composites for Improved Electrical Energy Storage

EFRI-RESTOR 新型陶瓷玻璃复合材料可改善电能存储

基本信息

  • 批准号:
    1038272
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 200万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-08-15 至 2016-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The ideal solution to large-scale energy storage will allow fast storage and release of energy in a device such as a reusable electrical storage medium. The proposed work is focused on realizing high energy density storage in a capacitor made with a ceramic of high dielectric constant. The PIs propose a novel approach, which is the combination of a ferroelectric nanopowder and a low melting and alkali-free glass to improve on current electrochemical capacitors. The main advantage of a ceramic capacitor over conventional capacitors is the fast discharge rate. A device resulting from this work could lead to a new method for storing intermittently available electrical energy from sources such as solar cells and wind turbines. A goal of this project is to discover novel materials capable of high energy density storage in capacitors. Such materials will both withstand high electric fields (~1 MV/cm) and possess an extremely high dielectric constant (~100,000). To realize this in prototype test devices, and in a commercially viable way, is a complicated problem of ceramic science and glass engineering. In this project, improvements in electrical energy density will be achieved by storing energy capacitively using a composite of a ferroelectric nanopowder (e.g., [Ba(Ti0:8Zr0:2)O3]0.80-[(Ba0:7Ca0:3)TiO3]0.20 and/or Pb[(Fe1/2Nb1/2)0.6-(Fe2/3W1/3)0.4)O3]) and low melting, alkali-free glass (e.g., B2O3-SiO2-PbO-BaO-TiO2 or B2O3-SiO2-ZnO-BaO-TiO2). The dielectric constant of the glassy phase can be increased by controlled crystallization after the sealing. The broader impact of the proposed research is to develop a novel approach to energy storage that will potentially find application in many areas including environmental protection, consumer electronics, electric vehicles, and healthcare. Being able to efficiently store large amounts of intermittent renewable energy would be a key step in meeting the nation?s and the world?s demand for energy. In addition, the innovative approach coupled with the coordination of multiple disciplines to study a new concept for renewable energy storage will impact the basic curriculum, i.e., concepts in renewable energy storage will be taught from an engineering perspective in design, fabrication, and data analysis. The PIs will exchange students between the Rensselaer Polytechnic Institute and the University of Puerto Rico to promote integration between the two different student populations as well as the RPI NSF Center for Nanotechnology and the UPR Institute for Functional Nanomaterials.The FY 2010 EFRI-RESTOR Topic that supports this project was sponsored by the US National Science Foundation (NSF) directorates for Engineering (ENG), Mathematical and Physical Sciences (MPS) and Social, Behavioral and Economic Sciences (SBE), and Computer & Information Science and Engineering in collaboration with the US Department of Energy (DOE).
大规模储能的理想解决方案将允许在可重复使用的电气存储介质等设备中快速存储和释放能量。 所提出的工作集中在用高介电常数的陶瓷制成的电容器中实现高能密度存储。 PI提出了一种新颖的方法,它是铁电纳米脂和低融化和无碱玻璃的组合,以改善当前电化学电容器。陶瓷电容器比常规电容器的主要优点是快速放电速率。 这项工作产生的设备可能会导致一种新的方法,用于从太阳能电池和风力涡轮机等来源中间歇性可用的电能。 该项目的一个目标是发现能够在电容器中进行高能密度存储的新型材料。 这样的材料都将承受高电场(〜1 mV/cm),并且具有极高的介电常数(〜100,000)。在原型测试设备和商业上可行的方式中实现这一目标是陶瓷科学和玻璃工程的复杂问题。在该项目中,通过使用铁电纳米圆的复合材料来储存能量(例如,[BA(TI0:8ZR0:2)O3] 0.80 - [(BA0:7CA0:3)Tio3] 0.20和/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或/或或或或,在这个项目中,将提高电能密度。 Pb [(FE1/2NB1/2)0.6-(Fe2/3W1/3)0.4)O3])和低熔化的无碱性玻璃(例如B2O3-SIO2-PBO-BAO-TIO2或B2O3-SIO2-SIO2-SIO2-SIO2-ZNO-ZNO-BAO-TIO2)。 密封后可以通过受控的结晶来增加玻璃相的介电常数。 拟议的研究的更广泛的影响是开发一种新型的能源储存方法,该方法有可能在许多领域找到应用,包括环境保护,消费电子,电动汽车和医疗保健。能够有效地存储大量间歇性可再生能源将是满足国家和全世界对能源的需求的关键一步。此外,创新方法以及多个学科的协调来研究新的可再生能源储能概念将影响基本课程,即可再生能源存储中的概念将从设计,制造和数据分析的工程角度来教授。 PI将在Rensselaer理工学院和波多黎各大学之间交换学生,以促进两个不同的学生人口以及RPI NSF纳米技术中心与RPI NSF纳米技术中心与UPR功能性纳米材料研究所之间的融合。科学(国会议员)以及社会,行为和经济科学(SBE),以及与美国能源部(DOE)合作的计算机与信息科学与工程。

项目成果

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