La tecnologia Nanosheet aumenta la densità energetica dei condensatori dielettrici

Jul 25, 2023

Un dispositivo nanosheet con le più alte prestazioni di accumulo di energia mai viste.

Tecnologie di stoccaggio dell’energia convenienti e flessibili sono vitali per l’uso efficace dell’energia rinnovabile, consentendo all’energia pulita di entrare in un’ampia varietà di nuove applicazioni. L’attuale tecnologia di accumulo dell’energia, come le batterie agli ioni di litio, deve affrontare sfide come lunghi tempi di ricarica, degrado dell’elettrolita, durata e persino accensione indesiderata.

Un’alternativa promettente sono i condensatori di accumulo di energia dielettrica, che presentano molti vantaggi, come un tempo di ricarica breve di soli pochi secondi, una lunga durata e un’elevata densità di potenza. Pertanto, possono diventare dispositivi di accumulo di energia ideali e sicuri. Tuttavia, gli attuali condensatori dielettrici hanno densità di energia molto inferiori rispetto ad altri dispositivi di accumulo di energia come batterie e supercondensatori.

Ora, un gruppo di ricerca guidato dall’Università di Nagoya in Giappone, in collaborazione con NIMS, ha utilizzato la tecnologia dei nanosheet per sviluppare un condensatore dielettrico con le più elevate prestazioni di accumulo di energia mai viste.

La quantità di energia elettrica che un condensatore dielettrico può immagazzinare è influenzata dalla quantità di polarizzazione. Pertanto, 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 risolvere questo problema, i ricercatori hanno utilizzato strati di nanofogli costituiti da calcio, sodio, niobio e ossigeno con una struttura cristallina di perovskite. I singoli nanofogli mostrano una rigidità dielettrica ultraelevata, anche nella forma monostrato, che supera quella dei materiali dielettrici convenzionali. I condensatori a nanofogli impilati multistrato presentano densità di energia ultraelevate, elevate efficienze, eccellente affidabilità e stabilità della temperatura.

“La struttura della perovskite è conosciuta come la migliore struttura per i ferroelettrici, poiché ha eccellenti proprietà dielettriche come l’elevata polarizzazione”, spiega il professor Minoru Osada dell’Istituto per i materiali e i sistemi per la sostenibilità (IMaSS), Università di Nagoya. “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 confermano che la densità energetica del condensatore dielettrico nanosheet è aumentata di 1-2 volte pur mantenendo la stessa elevata densità di uscita. Inoltre, i condensatori dielettrici basati su nanostrati hanno raggiunto un’elevata densità di energia che ha mantenuto la stabilità per molteplici cicli di utilizzo, anche a temperature 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, breve tempo di ricarica di appena come 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”.

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