Tecnología Nanosheet desarrollada para impulsar los condensadores dieléctricos de almacenamiento de energía

Un 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 en Japón, en colaboración con NIMS, ha desarrollado un dispositivo de nanohojas con el mayor rendimiento de almacenamiento de energía jamás visto.Sus resultados fueron publicadosen Nano Letras.

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. La tecnología actual de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, presenta tiempos de carga prolongados y problemas, incluida la degradación de los electrolitos, su vida útil e incluso una ignición no deseada.

Una alternativa prometedora son los condensadores de almacenamiento de energía dieléctrica. La estructura básica del condensador es una película tipo sándwich hecha de dos electrodos metálicos separados por una película dieléctrica sólida. Los dieléctricos son materiales que almacenan energía mediante un mecanismo físico de desplazamiento de carga llamado polarización. Cuando se aplica un campo eléctrico al condensador, las cargas positivas son atraídas hacia el electrodo negativo. Las cargas negativas son atraídas hacia el electrodo positivo. Entonces, el almacenamiento de energía eléctrica depende de la polarización de la película dieléctrica mediante la aplicación de un campo eléctrico externo.

"Los condensadores dieléctricos tienen muchas ventajas, como un corto tiempo de carga de sólo unos pocos segundos, una larga vida útil y una alta densidad de potencia", dijo Osada. Sin embargo, la densidad energética de los dieléctricos actuales es muy inferior a la hora de satisfacer las crecientes demandas de energía eléctrica. Mejorar 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 condensador dieléctrico está relacionada con la cantidad de polarización, la clave para lograr una alta densidad de energía es aplicar un campo eléctrico lo más alto 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 ir más allá de la investigación dieléctrica convencional, el grupo utilizó capas de nanoláminas hechas 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 hallazgos del grupo de investigación confirmaron que los condensadores dieléctricos de nanoláminas lograron una densidad de energía de uno a dos órdenes de magnitud mayor, manteniendo la misma densidad de salida alta. 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.

"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”.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Nagoya.