Registro

Aug 18, 2023

Por Universidad de Nagoya18 de julio de 2023

Almacenamiento de energía ultraalta en perovskitas 2D de alto κ. Crédito: Minoru Osada, Universidad de Nagoya

Los investigadores han desarrollado un condensador dieléctrico avanzado utilizando tecnología de nanohojas, que proporciona una densidad y estabilidad de almacenamiento de energía sin precedentes. Este avance podría mejorar significativamente el uso de energía renovable y la producción de vehículos eléctricos.

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La Universidad de Nagoya en Japón ha aplicado de forma innovadora la tecnología de nanohojas para crear un condensador dieléctrico. Este desarrollo tiene implicaciones importantes para los sistemas de energía eléctricos y electrónicos avanzados. Las innovaciones en la tecnología de almacenamiento de energía son vitales para el uso eficaz de las energías renovables y la producción en masa de vehículos eléctricos. El condensador dieléctrico constituye un importante avance tecnológico y cuenta con la densidad de almacenamiento de energía más alta jamás registrada. Otras características beneficiosas incluyen un tiempo de carga rápido, alto rendimiento, longevidad y estabilidad superior a altas temperaturas.

El grupo de investigación, dirigido por el profesor Minoru Osada en el Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya, colaboró ​​con el NIMS. Juntos, desarrollaron un dispositivo de nanohojas que muestra un rendimiento de almacenamiento de energía sin precedentes. Sus innovadores resultados se publicaron en la revista Nano Letters.

Las innovaciones en la tecnología de almacenamiento de energía son cruciales para la utilización óptima de las energías renovables y la producción en masa de vehículos eléctricos. La tecnología de almacenamiento de energía existente, como las baterías de iones de litio, presenta limitaciones. Estos incluyen tiempos de carga prolongados y problemas como la degradación de los electrolitos, una vida útil reducida e incluso riesgos de ignición espontánea.

Los condensadores de almacenamiento de energía dieléctrica han surgido como una alternativa prometedora. Estos condensadores poseen una estructura tipo sándwich compuesta por dos electrodos metálicos separados por una película dieléctrica sólida. Los dieléctricos, materiales que almacenan energía mediante un mecanismo físico de desplazamiento de carga conocido como polarización, son clave. Cuando se aplica un campo eléctrico al condensador, las cargas positivas y negativas son atraídas hacia electrodos opuestos, lo que facilita el almacenamiento de energía eléctrica.

“Los condensadores dieléctricos tienen muchas ventajas, como un corto tiempo de carga, de sólo unos segundos, una larga vida útil y una alta densidad de potencia”, señaló Osada. Sin embargo, la densidad energética de los dieléctricos actuales es significativamente menor que las crecientes demandas de energía eléctrica, lo que implica una necesidad de mejora.

La energía almacenada en un condensador dieléctrico está relacionada con la cantidad de polarización. En consecuencia, se puede lograr una alta densidad de energía aplicando un campo eléctrico lo más alto posible a un material con una constante dieléctrica alta. Sin embargo, los materiales existentes están limitados por su capacidad de campo eléctrico.

Para superar esto, el grupo utilizó nanohojas compuestas de calcio, sodio, niobio y oxígeno con una estructura cristalina de perovskita. “La estructura de perovskita se conoce como la mejor estructura para los ferroeléctricos, ya que tiene excelentes propiedades dieléctricas, como una alta polarización”, explica Osada. "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 condensadores dieléctricos de nanohojas mostraron una densidad de energía de 1 a 2 órdenes de magnitud mayor que sus predecesores, manteniendo la misma alta densidad de salida. Curiosamente, el condensador dieléctrico basado en nanoláminas logró una alta densidad de energía que mantuvo su estabilidad durante múltiples ciclos de uso y fue estable incluso a altas temperaturas de hasta 300 °C (572 °F).

"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 y un tiempo de carga corto de tan solo unos 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”.

Referencia: “Almacenamiento de energía ultraalta en perovskitas 2D de alto κ” por Hyung-Jun Kim, Shu Morita, Ki-Nam Byun, Yue Shi, Takaaki Taniguchi, Eisuke Yamamoto, Makoto Kobayashi, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki y Minoru Osada, 1 de mayo 2023, Nano Letras.DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079