Tecnología de nanoláminas para capacitores de almacenamiento de energía dieléctrica
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Investigadores del Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad de la Universidad de Nagoya y NIMS han alcanzado un hito notable en el almacenamiento de energía con el desarrollo de un dispositivo de nanoláminas sin precedentes.
El desarrollo de tecnología innovadora de almacenamiento de energía juega un papel fundamental para maximizar el uso de energía renovable y facilitar la adopción generalizada de vehículos eléctricos. Las soluciones de almacenamiento de energía existentes, como las baterías de iones de litio, enfrentan desafíos como tiempos de carga prolongados, problemas con la degradación de electrolitos, vida útil limitada e incluso posibles problemas de seguridad, como la ignición accidental. Los capacitores de almacenamiento de energía dieléctrica ofrecen una alternativa prometedora. Consisten en electrodos metálicos separados por una película dieléctrica sólida que almacena energía a través de la polarización.
En colaboración con NIMS, los investigadores del Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya en Japón lograron un gran avance en el almacenamiento de energía al desarrollar un dispositivo de nanoláminas con un rendimiento sin precedentes. Al aplicar un campo eléctrico a través del capacitor, las cargas positivas se atraen al electrodo negativo y las cargas negativas al electrodo positivo, lo que permite el almacenamiento de energía a través de la polarización de la película dieléctrica.
Debido a la correlación entre la energía almacenada en un capacitor dieléctrico y su nivel de polarización, maximizar el campo eléctrico aplicado a un material con una constante dieléctrica alta es fundamental para lograr una densidad de energía superior. Desafortunadamente, la capacidad de los materiales actuales para soportar campos eléctricos limita este esfuerzo. El equipo utilizó capas de nanoláminas de calcio, sodio, niobio y oxígeno para ir más allá de los estudios dieléctricos tradicionales y revelar una estructura cristalina de perovskita. Los investigadores han descubierto que los dieléctricos de alta polarización pueden convertir eficientemente un fuerte campo eléctrico en energía electrostática sin pérdidas, lo que da como resultado una densidad de energía récord.
Los resultados del equipo confirmaron que los capacitores de nanocapas dieléctricas lograron densidades de energía significativamente más altas, superando los valores anteriores en uno o dos órdenes de magnitud. Sorprendentemente, estos condensadores basados en nanoláminas mantuvieron su alta densidad de salida mientras mostraban estabilidad durante múltiples ciclos de uso e incluso a temperaturas de hasta 300 °C. Este logro establece nuevos principios de diseño para el avance de los capacitores dieléctricos y promete la implementación de nanoláminas en dispositivos de almacenamiento de energía de estado sólido. Estas nanohojas ofrecen numerosas ventajas, que incluyen alta densidad de energía, alta densidad de potencia, tiempos de carga rápidos en solo unos segundos, vida útil más larga y estabilidad excepcional incluso a temperaturas elevadas.
Los capacitores dieléctricos disipan energía rápidamente y generan voltajes o corrientes pulsantes intensos para una variedad de aplicaciones, incluidos vehículos híbridos, aceleradores de alta potencia y hornos de microondas.
Referencia: Hyung-Jun Kim et al., Ultrahigh Energy Storage in 2D High-κ Perovskites, nano letras (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079
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