Raggiunte prestazioni di accumulo energetico più elevate mai registrate

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Minoru Osada presso l’Istituto per i Materiali e i Sistemi per la Sostenibilità (IMaSS), dell’Università di Nagoya in Giappone, in collaborazione con NIMS (National Institute for Materials Science) sito in Giappone, ha sviluppato un dispositivo a nanofogli (nanosheets) con le prestazioni di accumulo energetico più elevate mai registrate. I loro risultati sono stati pubblicati su Nano Letters.

L’Istituto di Materiali e Sistemi per la Sostenibilità (IMaSS) si dedica alla ricerca su temi che vanno dallo sviluppo di materiali e dispositivi alle tecnologie di sistema, mirando alla realizzazione di una società umana ecologica e sostenibile.

Le innovazioni nella tecnologia di accumulo energetico sono fondamentali per l’utilizzo efficace dell’energia rinnovabile e la produzione di massa di veicoli elettrici. L’attuale tecnologia di accumulo energetico, come le batterie al litio, presenta tempi di ricarica lunghi e problemi, tra cui degradazione dell’elettrolita, durata e persino accensione indesiderata.

Una promettente alternativa sono i condensatori di accumulo energetico dielettrico. La struttura base del condensatore è un film a forma di sandwich costituito da due elettrodi metallici separati da un film dielettrico solido. I dielettrici sono materiali che accumulano energia attraverso un meccanismo di spostamento di carica fisica chiamato polarizzazione.

Quando un campo elettrico viene applicato al condensatore, le cariche positive sono attratte verso l’elettrodo negativo. Le cariche negative sono attratte verso l’elettrodo positivo. Quindi, l’accumulo di energia elettrica dipende dalla polarizzazione del film dielettrico applicando un campo elettrico esterno.

“I condensatori dielettrici hanno molti vantaggi, come un tempo di ricarica di soli pochi secondi, una lunga vita e un’alta densità di potenza“, ha detto Osada. Ma, la densità energetica dei dielettrici attuali è molto inferiore alle crescenti esigenze di energia elettrica. Potenziare la densità energetica aiuterebbe i condensatori dielettrici a competere con altri dispositivi di accumulo energetico.

Poiché l’energia accumulata in un condensatore dielettrico è correlata alla quantità di polarizzazione, la chiave per ottenere una densità energetica elevata consiste nell’applicare un campo elettrico il più alto possibile a un materiale con una costante dielettrica elevata. I materiali esistenti sono limitati dalla quantità di campo elettrico che possono gestire.

Per andare oltre la ricerca dielettrica convenzionale, il gruppo ha utilizzato strati di nanofogli composti da calcio, sodio, niobio e ossigeno con una struttura cristallina perovskitica. “La struttura perovskitica è conosciuta come la migliore struttura per i ferroelettrici, poiché presenta eccellenti proprietà dielettriche come un’alta polarizzazione”, spiega Osada.

“Abbiamo scoperto che, utilizzando questa proprietà, un campo elettrico elevato può essere applicato a materiali dielettrici con alta polarizzazione e convertito in energia elettrostatica senza perdite, raggiungendo la densità energetica più alta mai registrata.“

I risultati del gruppo di ricerca hanno confermato che i condensatori dielettrici a nanofogli hanno raggiunto una densità energetica da 1 a 2 ordini di grandezza più elevata mantenendo la stessa alta densità di output. Il condensatore dielettrico basato su nanofogli ha raggiunto una densità energetica elevata che ha mantenuto la sua stabilità su più cicli di utilizzo ed era stabile anche ad alte temperature fino a 300°C.

“Questo risultato fornisce nuove linee guida per lo sviluppo di condensatori dielettrici e ci si aspetta che si applichi a dispositivi di accumulo energetico completamente solidi che sfruttano le caratteristiche del nanofoglio di alta densità energetica, alta densità di potenza, breve tempo di ricarica di pochi secondi, lunga durata e alta stabilità a temperature elevate”, ha detto Osada.

“I condensatori dielettrici hanno la capacità di rilasciare l’energia accumulata in un tempo estremamente breve e creare una tensione o una corrente ad impulsi intensi. Queste caratteristiche sono utili in molte applicazioni a scarica impulsiva e in dispositivi elettronici di potenza. Oltre ai veicoli elettrici ibridi, sarebbero utili anche in acceleratori ad alta potenza e in dispositivi a microonde ad alta potenza.”

Riferimento : Nagoya University https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00079