Almacenamiento de ultra alta energía en perovskitas 2D de alto κ. Fuente: Minoru Osada, Universidad de Nagoya
Un grupo de investigación dirigido por el profesor Minoru Osada del Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya en Japón, en colaboración con NIMS, ha desarrollado un dispositivo de nanopartículas con la mayor eficiencia de almacenamiento de energía jamás vista. Sus resultados fueron publicados en nano letras.
Las innovaciones en la tecnología de almacenamiento de energía son esenciales para el uso eficiente de las energías renovables y la producción en masa de vehículos eléctricos. La tecnología actual de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, está asociada con largos tiempos de carga y problemas que incluyen la degradación de electrolitos, la vida útil e incluso la ignición no deseada.
Una alternativa prometedora son los condensadores de almacenamiento de energía dieléctrica. La estructura básica de un capacitor es una lámina en capas hecha de dos electrodos de metal separados por una capa dieléctrica sólida. Los dieléctricos son materiales que almacenan energía a través de un mecanismo físico de desplazamiento de carga llamado polarización.
Cuando se aplica un campo eléctrico al capacitor, las cargas positivas son atraídas hacia el electrodo negativo. Las cargas negativas son atraídas hacia el electrodo positivo. Entonces, el almacenamiento de electricidad depende de la polarización de la capa dieléctrica al aplicar un campo eléctrico externo.
“Los condensadores dieléctricos tienen muchas ventajas, como tiempos de carga cortos de solo unos segundos, larga vida útil y alta densidad de potencia”, dijo Osada. Sin embargo, la densidad de energía de los dieléctricos actuales es significativamente inferior a la creciente demanda de electricidad. El aumento de la densidad de energía ayudaría a los condensadores dieléctricos a competir con otros dispositivos de almacenamiento de energía.
Dado que la energía almacenada en un capacitor dieléctrico está relacionada con la cantidad de polarización, la clave para lograr una alta densidad de energía es aplicar tanto campo eléctrico como sea posible al material con una constante dieléctrica alta. Sin embargo, los materiales existentes están limitados por la cantidad de campo eléctrico que pueden manejar.
Para ir más allá de los estudios dieléctricos convencionales, el grupo utilizó capas de nanopartículas hechas de calcio, sodio, niobio y oxígeno con una estructura cristalina de perovskita. “La estructura de perovskita es conocida como la mejor estructura para ferroeléctricos porque tiene excelentes propiedades dieléctricas, como una alta polarización”, explica Osada.
“Descubrimos que al explotar esta propiedad, se puede aplicar un fuerte campo eléctrico a materiales dieléctricos altamente polarizados y convertirlos en energía electrostática sin pérdida, logrando la densidad de energía más alta registrada”.
Los hallazgos del grupo de investigación confirmaron que los capacitores dieléctricos de nanopelícula logran una densidad de energía de 1 a 2 órdenes de magnitud más alta mientras mantienen la misma densidad de salida alta. De manera emocionante, el capacitor dieléctrico basado en nanopartículas logró una alta densidad de energía que se mantuvo estable durante muchos ciclos de uso y fue estable incluso a altas temperaturas de hasta 300 °C.
“Este logro proporciona nuevas pautas de diseño para el desarrollo de capacitores dieléctricos y se espera que sea aplicable a todos los dispositivos de almacenamiento de energía de semiconductores que aprovechan las características de las nanoláminas, como alta densidad de energía, alta densidad de potencia, tiempos de carga cortos de solo unos segundos, larga vida útil y estabilidad a altas temperaturas”, dijo Osada.
“Los condensadores dieléctricos tienen la capacidad de liberar la energía almacenada en un tiempo extremadamente corto y producir una tensión o corriente pulsada intensa. Estas características son útiles en muchas aplicaciones de descarga de impulsos y electrónica de potencia. Además de los vehículos eléctricos híbridos, también serían útiles en aceleradores de alta potencia y dispositivos de microondas de alta potencia”.
Más información:
Hyung-Jun Kim et al., Almacenamiento de energía ultraalta en perovskitas 2D de alto κ, nano letras (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079