A tecnologia Nanosheet aumenta a densidade de energia dos capacitores dielétricos

Jul 25, 2023

Um dispositivo de nanofolhas com o mais alto desempenho de armazenamento de energia já visto.

Tecnologias de armazenamento de energia acessíveis e flexíveis são vitais para a utilização eficaz das energias renováveis, permitindo que a energia limpa entre numa ampla variedade de novas aplicações. A tecnologia atual de armazenamento de energia, como as baterias de íons de lítio, enfrenta desafios como longos tempos de carregamento, degradação de eletrólitos, vida útil e até mesmo ignição indesejada.

Uma alternativa promissora são os capacitores de armazenamento de energia dielétrica, que apresentam muitas vantagens, como curto tempo de carregamento de apenas alguns segundos, longa vida útil e alta densidade de potência. Assim, eles podem se tornar dispositivos de armazenamento de energia seguros e ideais. No entanto, os capacitores dielétricos atuais têm densidades de energia muito mais baixas em comparação com outros dispositivos de armazenamento de energia, como baterias e supercapacitores.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Nagoya, no Japão, em colaboração com o NIMS, usou a tecnologia de nanofolhas para desenvolver um capacitor dielétrico com o mais alto desempenho de armazenamento de energia já visto.

A quantidade de energia elétrica que um capacitor dielétrico pode armazenar é influenciada pela quantidade de polarização. Assim, 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 resolver esse problema, os pesquisadores usaram camadas de nanofolhas feitas de cálcio, sódio, nióbio e oxigênio com estrutura cristalina de perovskita. Nanofolhas individuais exibem uma resistência dielétrica ultra-alta, mesmo na forma de monocamada, que excede a dos materiais dielétricos convencionais. Capacitores de nanofolhas empilhados multicamadas exibem densidades de energia ultra-altas, alta eficiência, excelente confiabilidade e estabilidade de temperatura.

“A estrutura da perovskita é conhecida como a melhor estrutura para ferroelétricos, pois possui excelentes propriedades dielétricas, como alta polarização”, explica o professor Minoru Osada, do Instituto de Materiais e Sistemas para Sustentabilidade (IMaSS), da Universidade de Nagoya. “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 da equipe de pesquisa confirmam que a densidade de energia do capacitor dielétrico de nanofolhas aumentou 1-2 vezes, mantendo a mesma alta densidade de saída. Além disso, os capacitores dielétricos baseados em nanocamadas alcançaram uma alta densidade de energia que manteve sua estabilidade ao longo de vários ciclos de uso, mesmo em temperaturas de até 300°C.

“Esta 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, o curto tempo de carregamento de tão pouco como alguns segundos, longa vida 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.”

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