Un grupo de investigación dirigido por el profesor Minoru Osada del Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya en Japón, en colaboración con el NIMS, ha desarrollado un dispositivo de nanoláminas con el mayor rendimiento de almacenamiento de energía jamás visto. Sus resultados fueron publicados en Nano Letters. 

Las innovaciones en la tecnología de almacenamiento de energía son vitales para el uso eficaz de las energías renovables y la producción en masa de vehículos eléctricos. La tecnología actual de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, tiene largos tiempos de carga y problemas, incluida la degradación de electrolitos, la vida útil e incluso la ignición no deseada.  

Una alternativa prometedora son los condensadores de almacenamiento de energía dieléctrica. La estructura básica del capacitor es una película tipo sándwich hecha de dos electrodos de metal separados por una película dieléctrica sólida. Los dieléctricos son materiales que almacenan energía a través de un mecanismo físico de desplazamiento de carga llamado polarización. Cuando se aplica un campo eléctrico al capacitor, las cargas positivas son atraídas hacia el electrodo negativo. Las cargas negativas son atraídas hacia el electrodo positivo. Entonces, el almacenamiento de energía eléctrica depende de la polarización de la película dieléctrica mediante la aplicación de un campo eléctrico externo.  

“Los capacitores dieléctricos tienen muchas ventajas, como un tiempo de carga corto de solo unos segundos, larga vida útil y alta densidad de potencia”, dijo Osada. Sin embargo, la densidad de energía de los dieléctricos de corriente es significativamente menor para satisfacer las crecientes demandas de energía eléctrica. Mejorar la densidad de energía ayudaría a los capacitores dieléctricos a competir con otros dispositivos de almacenamiento de energía.  

Dado que la energía almacenada en un capacitor dieléctrico está relacionada con la cantidad de polarización, la clave para lograr una alta densidad de energía es aplicar un campo eléctrico tan alto como sea posible a un material de alta constante dieléctrica. Sin embargo, los materiales existentes están limitados por la cantidad de campo eléctrico que pueden manejar.  

Para ir más allá de la investigación dieléctrica convencional, el grupo utilizó capas de nanoláminas hechas de calcio, sodio, niobio y oxígeno con una estructura cristalina de perovskita. “La estructura de perovskita es conocida como la mejor estructura para ferroeléctricos, ya que tiene excelentes propiedades dieléctricas, como una alta polarización”, explica Osada. "Descubrimos que al usar esta propiedad, se podía aplicar un campo eléctrico alto a materiales dieléctricos con alta polarización y convertirlos en energía electrostática sin pérdida, logrando la densidad de energía más alta jamás registrada". 

Los hallazgos del grupo de investigación confirmaron que los capacitores dieléctricos de nanoláminas lograron una densidad de energía de 1 a 2 órdenes de magnitud más alta mientras mantenían la misma alta densidad de salida. Sorprendentemente, el capacitor dieléctrico basado en nanoláminas logró una alta densidad de energía que mantuvo su estabilidad durante múltiples ciclos de uso y fue estable incluso a altas temperaturas de hasta 300 °C. 

“Este logro proporciona nuevas pautas de diseño para el desarrollo de capacitores dieléctricos y se espera que se aplique a todos los dispositivos de almacenamiento de energía de estado sólido que aprovechan las características de la nanolámina de alta densidad de energía, alta densidad de potencia, tiempo de carga corto de tan solo pocos segundos, larga vida útil y estabilidad a altas temperaturas”, dijo Osada. “Los condensadores dieléctricos poseen la capacidad de liberar energía almacenada en un tiempo extremadamente corto y crear un voltaje o corriente pulsada intensa. Estas características son útiles en muchas aplicaciones electrónicas de potencia y de descarga pulsada. Además de los vehículos eléctricos híbridos, también serían útiles en aceleradores de alta potencia y dispositivos de microondas de alta potencia”.