Documentazione

Aug 18, 2023

Di Nagoya University, 18 luglio 2023

Immagazzinamento di energia ultraelevata in perovskiti 2D ad alto κ. Crediti: Minoru Osada, Università di Nagoya

I ricercatori hanno sviluppato un condensatore dielettrico avanzato utilizzando la tecnologia dei nanofogli, che fornisce densità e stabilità di accumulo di energia senza precedenti. Questa svolta potrebbe migliorare in modo significativo l’utilizzo delle energie rinnovabili e la produzione di veicoli elettrici.

A research group, led by Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> L’Università di Nagoya in Giappone ha applicato in modo innovativo la tecnologia dei nanosheet per creare un condensatore dielettrico. Questo sviluppo ha implicazioni significative per i sistemi avanzati di alimentazione elettrica ed elettronica. 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. Il condensatore dielettrico rappresenta un importante progresso tecnologico, vantando la più alta densità di accumulo di energia mai registrata. Altre caratteristiche vantaggiose includono tempi di ricarica rapidi, rendimento elevato, longevità e stabilità superiore alle alte temperature.

Il gruppo di ricerca, guidato dal professor Minoru Osada presso l'Istituto per i materiali e i sistemi per la sostenibilità (IMaSS), Università di Nagoya, ha collaborato con NIMS. Insieme, hanno sviluppato un dispositivo in nanofogli che mostra prestazioni di stoccaggio dell'energia senza precedenti. I loro risultati innovativi sono stati pubblicati sulla rivista Nano Letters.

Le innovazioni nella tecnologia di stoccaggio dell’energia sono cruciali per l’utilizzo ottimale delle energie rinnovabili e la produzione di massa di veicoli elettrici. Le tecnologie esistenti di accumulo dell’energia, come le batterie agli ioni di litio, presentano dei limiti. Questi includono tempi di ricarica lunghi e problemi come il degrado dell'elettrolita, la durata ridotta e persino i rischi di accensione spontanea.

I condensatori di accumulo di energia dielettrica sono emersi come un'alternativa promettente. Questi condensatori possiedono una struttura a sandwich composta da due elettrodi metallici separati da un film dielettrico solido. I dielettrici, materiali che immagazzinano energia attraverso un meccanismo di spostamento fisico della carica noto come polarizzazione, sono fondamentali. Quando al condensatore viene applicato un campo elettrico, le cariche positive e negative vengono attratte verso gli elettrodi opposti, facilitando l'immagazzinamento di energia elettrica.

"I condensatori dielettrici presentano molti vantaggi, come un tempo di ricarica breve di soli pochi secondi, una lunga durata e un'elevata densità di potenza", ha osservato Osada. Tuttavia, la densità energetica degli attuali dielettrici è significativamente inferiore alla crescente domanda di energia elettrica, il che implica la necessità di un miglioramento.

L'energia immagazzinata in un condensatore dielettrico è legata alla quantità di polarizzazione. Di conseguenza, è possibile ottenere un'elevata densità di energia applicando un campo elettrico quanto più elevato possibile a un materiale con elevata costante dielettrica. I materiali esistenti, tuttavia, sono limitati dalla loro capacità di campo elettrico.

Per superare questo limite, il gruppo ha utilizzato 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 condensatori dielettrici nanosheet hanno mostrato una densità di energia 1-2 ordini di grandezza superiore rispetto ai loro predecessori, pur mantenendo la stessa elevata densità di uscita. La cosa interessante è che il condensatore dielettrico basato su nanofogli ha raggiunto un'elevata densità di energia che ha mantenuto la sua stabilità per più cicli di utilizzo ed è rimasto stabile anche a temperature elevate fino a 300°C (572°F).