Dynamic high electrical energy density storage capacitors

Elektrisitet er den foretrukne energiformen fordi den er utslippsfri på bruksstedet og muliggjør integrering av fornybar energi. Å utvide bruken av elektrisitet øker imidlertid etterspørselen etter elektroniske kretser som er nødvendige for å bruke elektrisitet. Kondensatorer brukes for kortsiktig energilagring i alle elektroniske kretser og er enda viktigere enn batterier for å overvinne utfordringene med det økende strømforbruket. En smarttelefon eller personlig datamaskin inneholder >400 kondensatorer, noe som betyr at de fleste av oss er avhengige av tusenvis av kondensatorer daglig. Nye typer kondensatorer, som er nøkkelkomponentene i all elektronikk, må derfor utvikles spesielt med tanke på å oppnå en høyere elektrisk energitetthet. Kondensatorer bidrar også til økende mengde E-avfall, da dagens materialer ikke er resirkulerbare noe som fører til lav gjenvinningsgrad av verdifulle materialer. Bærekraften til fremtidig elektronikk må derfor økes. DYNASTORE vil utvikle kondensatorer med høy elektrisk energitetthet med muligheter for resirkulering og gjenvinning av materialene fra E-avfall. DYNASTORE vil gjøre dette ved å utvikle en ny klasse supramolekylære materialer som består av molekylære byggesteiner som bruker et unikt forhold mellom molekylære rotasjoner og krystallstruktur for å skape høye elektriske energitettheter. Dette oppnås ved å benytte to forskjellige designprinsipper begge med kombinert eksperimentelt arbeid og simuleringer. Lav framstillingstemperatur kombinert med løselighet av de supramolekylære materialene vil bli brukt til å utvikle en enkel prosessering av kondensatorer med en sirkulær økonomi der det verdifulle metallet som brukes til elektrodene kan gjenvinnes og gjenbrukes. Prosjektet vil bidra til å utvikle supramolekylære materialer med funksjonaliteter som lav vekt, framstilling via en løsning og et mer bærekraftig fotavtrykk sammenlignet med de eksisterende materialene som brukes i kondensatorer.

Electricity is the preferred energy form because it is clean at the site of use and allows the integration of renewable energy. Expanding the application of electricity however is increasing demand on the electrical circuitry that facilitate its use. Capacitors are key components in all electronics that need to be developed for a wider range of electrical conditions, particularly for high electrical energy density storage (HEEDS). Capacitors also contribute to the problem of E-waste, and their recyclability must be improved to increase the recovery of valuable materials and enhance the sustainability of future electronics. DYNASTORE will address the need for HEEDS capacitors with opportunities for recycling and end of life material recovery from E-waste. DYNASTORE will do this by developing a new class of supramolecular materials that use a unique relationship between dynamic molecular orientations at the local length scale and the long-range crystal structure. This combination allows us to simultaneously enhance the maximum polarization, reduce the remanent polarization and increase the maximum electric field range, creating large recoverable electrical energy densities. This will be achieved through two separate compositional design approaches both with combined experimental and simulation work. First, we will use the molecular orientational disorder to frustrate the long-range order, producing relaxor-like ferroelectrics, with zero remanent polarization and large maximum polarizations. Secondly, we will engineer electric field induced phase transitions that switch the materials from zero net polarization to high maximum polarization states similarly as in antiferroelectric capacitors. The low synthesis temperature and solubility of supramolecular materials will be utilized to develop an easy processing of plastic crystal capacitors with a circular economy in which the valuable metal used for the electrodes in devices can be recovered and reused.