Tecnologia Nanosheet desenvolvida para impulsionar capacitores dielétricos de armazenamento de energia

Um grupo de pesquisa liderado pelo professor Minoru Osada do Instituto de Materiais e Sistemas para Sustentabilidade (IMaSS), da Universidade de Nagoya, no Japão, em colaboração com o NIMS, desenvolveu um dispositivo de nanofolhas com o mais alto desempenho de armazenamento de energia já visto.Seus resultados foram publicadosem Nano Letras.

As inovações na tecnologia de armazenamento de energia são vitais para a utilização eficaz de energias renováveis ​​e para a produção em massa de veículos eléctricos. A tecnologia atual de armazenamento de energia, como as baterias de íons de lítio, apresenta longos tempos de carregamento e problemas, incluindo degradação de eletrólitos, vida útil e até mesmo ignição indesejada.

Uma alternativa promissora são os capacitores de armazenamento de energia dielétrica. A estrutura básica do capacitor é um filme tipo sanduíche feito de dois eletrodos metálicos separados por um filme dielétrico sólido. Dielétricos são materiais que armazenam energia por meio de um mecanismo físico de deslocamento de carga denominado polarização. Quando um campo elétrico é aplicado ao capacitor, as cargas positivas são atraídas para o eletrodo negativo. As cargas negativas são atraídas para o eletrodo positivo. Então, o armazenamento de energia elétrica depende da polarização do filme dielétrico pela aplicação de um campo elétrico externo.

“Os capacitores dielétricos têm muitas vantagens, como curto tempo de carregamento de apenas alguns segundos, longa vida útil e alta densidade de potência”, disse Osada. No entanto, a densidade de energia dos dielétricos atuais fica significativamente aquém de atender às crescentes demandas por energia elétrica. Aumentar a densidade de energia ajudaria os capacitores dielétricos a competir com outros dispositivos de armazenamento de energia.

Como a energia armazenada em um capacitor dielétrico está relacionada à quantidade de polarização, a chave para alcançar alta densidade de energia é aplicar um campo elétrico tão alto quanto possível a um material com alta constante dielétrica. No entanto, os materiais existentes são limitados pela quantidade de campo elétrico que podem suportar.

Para ir além da pesquisa dielétrica convencional, o grupo utilizou camadas de nanofolhas feitas de cálcio, sódio, nióbio e oxigênio com estrutura cristalina de perovskita. “A estrutura da perovskita é conhecida como a melhor estrutura para ferroelétricos, pois possui excelentes propriedades dielétricas, como alta polarização”, explica Osada. “Descobrimos que, ao usar essa propriedade, um alto campo elétrico poderia ser aplicado a materiais dielétricos com alta polarização e convertido em energia eletrostática sem perdas, alcançando a maior densidade de energia já registrada.”

As descobertas do grupo de pesquisa confirmaram que os capacitores dielétricos de nanofolhas alcançaram uma densidade de energia de uma a duas ordens de magnitude maior, mantendo a mesma alta densidade de saída. Curiosamente, o capacitor dielétrico baseado em nanofolhas alcançou uma alta densidade de energia que manteve sua estabilidade ao longo de vários ciclos de uso e permaneceu estável mesmo em altas temperaturas de até 300°C.

“Essa conquista fornece novas diretrizes de design para o desenvolvimento de capacitores dielétricos e espera-se que seja aplicada a dispositivos de armazenamento de energia totalmente em estado sólido que aproveitem os recursos da nanofolha de alta densidade de energia, alta densidade de potência, curto tempo de carregamento de tão pouco quanto alguns segundos, longa vida útil e estabilidade em altas temperaturas”, disse Osada. “Os capacitores dielétricos possuem a capacidade de liberar energia armazenada em um tempo extremamente curto e criar uma intensa tensão ou corrente pulsada. Esses recursos são úteis em muitas aplicações de descarga pulsada e eletrônica de potência. Além dos veículos elétricos híbridos, eles também seriam úteis em aceleradores de alta potência e dispositivos de micro-ondas de alta potência.”

- Este comunicado de imprensa foi publicado originalmente no site da Universidade de Nagoya