Los condensadores que almacenan y liberan energía eléctrica rápidamente son componentes clave en los sistemas electrónicos y de energía modernos. Sin embargo, los más utilizados tienen densidades de energía bajas en comparación con otros sistemas de almacenamiento como baterías o pilas de combustible, que a su vez no pueden descargarse y recargarse rápidamente sin sufrir daños.
Ahora, como se informa en la revista Science, los investigadores han encontrado lo mejor de ambos mundos. Al introducir defectos aislados en un tipo de película delgada disponible comercialmente en un sencillo paso de posprocesamiento, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (DOE) ha demostrado que se puede procesar un material común en un material de almacenamiento de energía de alto rendimiento.
La investigación está respaldada por el Materials Project, una base de datos online de acceso abierto que ofrece virtualmente la mayor colección de propiedades de materiales a científicos de todo el mundo. Actualmente, el Materials Project combina esfuerzos tanto computacionales como experimentales para, entre otros objetivos, acelerar el diseño de nuevos materiales funcionales. Esto incluye comprender las formas de manipular materiales conocidos de manera que mejoren su rendimiento.
Los crecientes requisitos para la reducción de costos y la miniaturización de dispositivos han impulsado el desarrollo de condensadores de alta densidad de energía. Los condensadores se utilizan comúnmente en dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se carga una batería. El nuevo material desarrollado en Berkeley Lab podría finalmente combinar la eficiencia, confiabilidad y robustez de los condensadores con las capacidades de almacenamiento de energía de las baterías de mayor tamaño. Las aplicaciones incluyen dispositivos electrónicos personales, tecnología portátil y sistemas de audio para automóviles.
El material se basa en un llamado "relajante ferroeléctrico", que es un material cerámico que experimenta una rápida respuesta mecánica o electrónica a un campo eléctrico externo y se usa comúnmente como condensador en aplicaciones como ultrasonidos, sensores de presión y generadores de voltaje.
El campo aplicado provoca cambios en la orientación de los electrones en el material. Al mismo tiempo, el campo genera un cambio en la energía almacenada en los materiales, lo que los convierte en un buen candidato para su uso más allá de un condensador de pequeña escala. El problema a resolver es cómo optimizar el ferroeléctrico para que pueda cargarse a altos voltajes y descargarse muy rápidamente, miles de millones de veces o más, sin sufrir daños que lo hagan inadecuado para un uso prolongado en aplicaciones como computadoras y vehículos.
Los investigadores del laboratorio de Lane Martin, un científico de la facultad de la División de Ciencias de los Materiales (MSD) en Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley, lograron esto al introducir defectos locales que le permitían soportar voltajes más grandes.
“Probablemente haya experimentado ferroeléctricos relajantes en una parrilla de gas. El botón que enciende la parrilla opera un martillo con resorte que golpea un cristal piezoeléctrico, que es un tipo de relajante, y crea un voltaje que enciende el gas”, explicó Martin. "Hemos demostrado que también se pueden convertir en algunos de los mejores materiales para aplicaciones de almacenamiento de energía".
Colocar un material ferroeléctrico entre dos electrodos y aumentar el campo eléctrico hace que se acumule la carga. Durante la descarga, la cantidad de energía disponible depende de la fuerza con la que se orienten o polaricen los electrones del material en respuesta al campo eléctrico. Sin embargo, la mayoría de estos materiales normalmente no pueden soportar un gran campo eléctrico antes de que falle el material. El desafío fundamental, por lo tanto, es encontrar una manera de aumentar el campo eléctrico máximo posible sin sacrificar la polarización.
Los investigadores recurrieron a un enfoque que habían desarrollado previamente para "apagar" la conductividad en un material. Al bombardear una película delgada con partículas cargadas de alta energía conocidas como iones, pudieron introducir defectos aislados. Los defectos atrapan los electrones del material, impidiendo su movimiento y disminuyendo la conductividad de la película en órdenes de magnitud.
“En los ferroeléctricos, que se supone que son aislantes, tener carga que se filtra a través de ellos es un problema importante. Al bombardear ferroeléctricos con haces de iones de alta energía, sabíamos que podíamos convertirlos en mejores aislante ”, dijo Jieun Kim, investigador doctoral en el grupo de Martin y autor principal del artículo. "Luego preguntamos, ¿podríamos usar este mismo enfoque para hacer que un ferroeléctrico relajante o resistente a voltajes y campos eléctricos más grandes antes de que falle catastróficamente?"
La respuesta resultó ser "sí". Kim primero fabricó películas delgadas de un prototipo de relajante ferroeléctrico llamado niobita de plomo y magnesio-titanato de plomo. Luego, apuntó a las películas con iones de helio de alta energía en la Instalación de análisis de haz de iones operada por la División de Física Aplicada y Tecnología Aceleradora (ATAP) en el Laboratorio de Berkeley. Los iones de helio eliminaron los iones objetivo de sus sitios para crear defectos puntuales. Las mediciones mostraron que la película bombardeada con iones tenía más del doble de la densidad de almacenamiento de energía de los valores informados anteriormente y eficiencias un 50% más altas.
“Originalmente esperábamos que los efectos se debieran principalmente a la reducción de las fugas con defectos puntuales aislados. Sin embargo, nos dimos cuenta de que el cambio en la relación de polarización-campo eléctrico debido a algunos de esos defectos era igualmente importante”, dijo Martin. "Este cambio significa que se necesitan voltajes aplicados cada vez más grandes para crear el máximo cambio de polarización". El resultado sugiere que el bombardeo de iones puede ayudar a superar el compromiso entre ser altamente polarizable y fácilmente rompible.
El mismo enfoque de haz de iones también podría mejorar otros materiales dieléctricos para mejorar el almacenamiento de energía y proporcionar a los investigadores una herramienta para reparar problemas en materiales ya sintetizados. “Sería genial ver a la gente usar estos enfoques de haz de iones para 'curar' materiales en dispositivos después del hecho si su proceso de síntesis o producción no fue perfecto”, dijo Kim.
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