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Aug 18, 2023

Por Universidade de Nagoya 18 de julho de 2023

Armazenamento de energia ultra-alta em perovskitas 2D de alto κ. Crédito: Minoru Osada, Universidade de Nagoya

Os pesquisadores desenvolveram um capacitor dielétrico avançado usando tecnologia de nanofolhas, proporcionando densidade e estabilidade de armazenamento de energia sem precedentes. Este avanço poderá melhorar significativamente a utilização de energias renováveis ​​e a produção de veículos eléctricos.

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"}]"> A Universidade de Nagoya, no Japão, aplicou de forma inovadora a tecnologia de nanofolhas para criar um capacitor dielétrico. Este desenvolvimento tem implicações significativas para sistemas avançados de energia eletrônica e elétrica. 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. O capacitor dielétrico representa um grande avanço na tecnologia, apresentando a maior densidade de armazenamento de energia já registrada. Outras características benéficas incluem um tempo de carregamento rápido, alto rendimento, longevidade e estabilidade superior em altas temperaturas.

O grupo de pesquisa, liderado pelo professor Minoru Osada do Instituto de Materiais e Sistemas para Sustentabilidade (IMaSS), da Universidade de Nagoya, colaborou com o NIMS. Juntos, eles desenvolveram um dispositivo de nanofolhas que apresenta um desempenho de armazenamento de energia sem precedentes. Seus resultados inovadores foram publicados na revista Nano Letters.

As inovações na tecnologia de armazenamento de energia são cruciais para a utilização ideal das energias renováveis ​​e a produção em massa de veículos elétricos. A tecnologia existente de armazenamento de energia, como baterias de íons de lítio, possui limitações. Isso inclui longos tempos de carregamento e problemas como degradação de eletrólitos, vida útil reduzida e até riscos de ignição espontânea.

Os capacitores de armazenamento de energia dielétrica surgiram como uma alternativa promissora. Esses capacitores possuem uma estrutura tipo sanduíche composta por dois eletrodos metálicos separados por uma película dielétrica sólida. Os dielétricos, materiais que armazenam energia por meio de um mecanismo físico de deslocamento de carga conhecido como polarização, são fundamentais. À medida que um campo elétrico é aplicado ao capacitor, as cargas positivas e negativas são atraídas para eletrodos opostos, facilitando o armazenamento de energia elétrica.

“Os capacitores dielétricos têm muitas vantagens, como curto tempo de carregamento de apenas alguns segundos, longa vida útil e alta densidade de potência”, observou Osada. No entanto, a densidade de energia dos dielétricos atuais é significativamente menor do que as crescentes demandas de energia elétrica, implicando uma necessidade de aprimoramento.

A energia armazenada em um capacitor dielétrico está ligada à quantidade de polarização. Consequentemente, uma alta densidade de energia pode ser alcançada aplicando um campo elétrico tão alto quanto possível a um material com alta constante dielétrica. Os materiais existentes, no entanto, são limitados pela sua capacidade de campo elétrico.

Para superar isso, o grupo utilizou nanofolhas compostas 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.”

Os capacitores dielétricos de nanofolhas mostraram uma densidade de energia 1-2 ordens de grandeza maior que seus antecessores, 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 (572°F).