La tecnología Nanosheet aumenta la densidad de energía de los condensadores dieléctricos

Jul 25, 2023

Un dispositivo de nanohojas con el mayor rendimiento de almacenamiento de energía jamás visto.

Las tecnologías de almacenamiento de energía asequibles y flexibles son vitales para el uso eficaz de la energía renovable, permitiendo que la energía limpia ingrese a una amplia variedad de nuevas aplicaciones. La tecnología actual de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, enfrenta desafíos como tiempos de carga prolongados, degradación de electrolitos, vida útil e incluso ignición no deseada.

Una alternativa prometedora son los condensadores de almacenamiento de energía dieléctrica, que tienen muchas ventajas, como un corto tiempo de carga de sólo unos segundos, una larga vida útil y una alta densidad de potencia. Por tanto, pueden convertirse en dispositivos de almacenamiento de energía ideales y seguros. Sin embargo, los condensadores dieléctricos actuales tienen densidades de energía mucho más bajas en comparación con otros dispositivos de almacenamiento de energía, como baterías y supercondensadores.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Nagoya en Japón, en colaboración con NIMS, ha utilizado tecnología de nanohojas para desarrollar un condensador dieléctrico con el mayor rendimiento de almacenamiento de energía jamás visto.

La cantidad de energía eléctrica que puede almacenar un condensador dieléctrico está influenciada por la cantidad de polarización. Por lo tanto, la clave para lograr una alta densidad de energía es aplicar un campo eléctrico tan alto como sea posible a un material con una constante dieléctrica alta. Sin embargo, los materiales existentes están limitados por la cantidad de campo eléctrico que pueden manejar.

Para resolver este problema, los investigadores utilizaron capas de nanoláminas hechas de calcio, sodio, niobio y oxígeno con una estructura cristalina de perovskita. Las nanohojas individuales exhiben una rigidez dieléctrica ultraalta, incluso en forma de monocapa, que supera la de los materiales dieléctricos convencionales. Los condensadores de nanohojas apiladas multicapa exhiben densidades de energía ultraaltas, alta eficiencia, excelente confiabilidad y estabilidad de temperatura.

"La estructura de perovskita se conoce como la mejor estructura para los ferroeléctricos, ya que tiene excelentes propiedades dieléctricas, como una alta polarización", explica el profesor Minoru Osada del Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya. "Descubrimos que al utilizar esta propiedad, se podía aplicar un alto campo eléctrico a materiales dieléctricos con alta polarización y convertirlos en energía electrostática sin pérdida, logrando la mayor densidad de energía jamás registrada".

Los hallazgos del equipo de investigación confirman que la densidad de energía del condensador dieléctrico de nanohojas aumentó entre 1 y 2 veces manteniendo la misma densidad de salida alta. Además, los condensadores dieléctricos basados ​​en nanocapas lograron una alta densidad de energía que mantuvo su estabilidad durante múltiples ciclos de uso, incluso a temperaturas de hasta 300 °C.

"Este logro proporciona nuevas pautas de diseño para el desarrollo de condensadores dieléctricos y se espera que se aplique a dispositivos de almacenamiento de energía de estado sólido que aprovechen las características de la nanohoja de alta densidad de energía, alta densidad de potencia, el corto tiempo de carga de tan poco como unos pocos segundos, larga vida útil y estabilidad a altas temperaturas”, dijo Osada.

“Los condensadores dieléctricos poseen la capacidad de liberar energía almacenada en un tiempo extremadamente corto y crear un voltaje o corriente pulsada intensa. Estas características son útiles en muchas aplicaciones de electrónica de potencia y descarga pulsada. Además de los vehículos eléctricos híbridos, también serían útiles en aceleradores de alta potencia y dispositivos de microondas de alta potencia”.

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