Tecnologia Nanosheet sviluppata per potenziare i condensatori dielettrici per l'accumulo di energia

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Minoru Osada presso l’Istituto per i materiali e i sistemi per la sostenibilità (IMaSS), Università di Nagoya in Giappone, in collaborazione con NIMS, ha sviluppato un dispositivo a nanofogli con le più alte prestazioni di accumulo di energia mai viste.I loro risultati sono stati pubblicatiin Nanolettere.

Le innovazioni nella tecnologia di stoccaggio dell’energia sono vitali per l’uso efficace delle energie rinnovabili e la produzione di massa di veicoli elettrici. L’attuale tecnologia di accumulo dell’energia, come le batterie agli ioni di litio, presenta tempi di ricarica lunghi e problemi, tra cui il degrado dell’elettrolita, la durata e persino l’accensione indesiderata.

Un'alternativa promettente sono i condensatori di accumulo di energia dielettrica. La struttura di base del condensatore è una pellicola a sandwich composta da due elettrodi metallici separati da una pellicola dielettrica solida. I dielettrici sono materiali che immagazzinano energia attraverso un meccanismo fisico di spostamento della carica chiamato polarizzazione. Quando viene applicato un campo elettrico al condensatore, le cariche positive vengono attratte verso l'elettrodo negativo. Le cariche negative vengono attratte verso l'elettrodo positivo. Quindi, l'accumulo di energia elettrica dipende dalla polarizzazione del film dielettrico mediante l'applicazione di un campo elettrico esterno.

"I condensatori dielettrici presentano molti vantaggi, come un breve tempo di ricarica di soli pochi secondi, una lunga durata e un'elevata densità di potenza", ha affermato Osada. Tuttavia, la densità energetica degli attuali dielettrici è significativamente inferiore a soddisfare la crescente domanda di energia elettrica. Migliorare la densità energetica aiuterebbe i condensatori dielettrici a competere con altri dispositivi di accumulo dell’energia.

Poiché l'energia immagazzinata in un condensatore dielettrico è correlata alla quantità di polarizzazione, la chiave per ottenere un'elevata densità di energia è applicare un campo elettrico quanto più elevato possibile a un materiale con elevata costante dielettrica. Tuttavia, i materiali esistenti sono limitati dalla quantità di campo elettrico che possono gestire.

Per andare oltre la ricerca dielettrica convenzionale, il gruppo ha utilizzato strati di nanofogli costituiti da calcio, sodio, niobio e ossigeno con una struttura cristallina di perovskite. "La struttura della perovskite è conosciuta come la migliore struttura per i ferroelettrici, poiché ha eccellenti proprietà dielettriche come l'elevata polarizzazione", spiega Osada. “Abbiamo scoperto che utilizzando questa proprietà, un campo elettrico elevato potrebbe essere applicato a materiali dielettrici con elevata polarizzazione e convertito in energia elettrostatica senza perdite, ottenendo la più alta densità di energia mai registrata”.

I risultati del gruppo di ricerca hanno confermato che i condensatori dielettrici nanosheet hanno raggiunto una densità di energia superiore di uno o due ordini di grandezza pur mantenendo la stessa elevata densità di uscita. È interessante notare che il condensatore dielettrico basato su nanofogli ha raggiunto un'elevata densità di energia che ha mantenuto la sua stabilità per molteplici cicli di utilizzo ed è rimasto stabile anche a temperature elevate, fino a 300°C.

“Questo risultato fornisce nuove linee guida di progettazione per lo sviluppo di condensatori dielettrici e si prevede che venga applicato a dispositivi di accumulo di energia interamente a stato solido che sfruttano le caratteristiche del nanofoglio di alta densità di energia, alta densità di potenza, tempo di ricarica breve di appena pochi secondi, lunga durata e stabilità alle alte temperature", ha affermato Osada. “I condensatori dielettrici possiedono la capacità di rilasciare l’energia immagazzinata in un tempo estremamente breve e creare un’intensa tensione o corrente pulsata. Queste funzionalità sono utili in molte applicazioni elettroniche di potenza e a scarica pulsata. Oltre ai veicoli elettrici ibridi, sarebbero utili anche negli acceleratori ad alta potenza e nei dispositivi a microonde ad alta potenza”.

- Questo comunicato stampa è stato originariamente pubblicato sul sito web dell'Università di Nagoya