La technologie Nanosheet augmente la densité énergétique des condensateurs diélectriques

Jul 25, 2023

Un dispositif à nanofeuilles offrant les performances de stockage d'énergie les plus élevées jamais vues.

Des technologies de stockage d’énergie abordables et flexibles sont essentielles à l’utilisation efficace des énergies renouvelables, permettant à l’énergie propre d’entrer dans une grande variété de nouvelles applications. La technologie actuelle de stockage d’énergie, telle que les batteries lithium-ion, est confrontée à des défis tels que les longs temps de charge, la dégradation de l’électrolyte, la durée de vie et même l’allumage involontaire.

Les condensateurs de stockage d'énergie diélectrique constituent une alternative prometteuse, qui présentent de nombreux avantages, tels qu'un temps de charge court de quelques secondes seulement, une longue durée de vie et une densité de puissance élevée. Ainsi, ils peuvent devenir des dispositifs de stockage d’énergie idéaux et sûrs. Cependant, les condensateurs diélectriques actuels ont des densités d’énergie bien inférieures à celles d’autres dispositifs de stockage d’énergie tels que les batteries et les supercondensateurs.

Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par l'Université de Nagoya au Japon, en collaboration avec le NIMS, a utilisé la technologie des nanofeuilles pour développer un condensateur diélectrique offrant les performances de stockage d'énergie les plus élevées jamais vues.

La quantité d'énergie électrique qu'un condensateur diélectrique peut stocker est influencée par le degré de polarisation. Ainsi, la clé pour atteindre une densité énergétique élevée est d’appliquer un champ électrique aussi élevé que possible à un matériau à constante diélectrique élevée. Cependant, les matériaux existants sont limités par la quantité de champ électrique qu’ils peuvent gérer.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé des couches de nanofeuilles composées de calcium, de sodium, de niobium et d'oxygène avec une structure cristalline de pérovskite. Les nanofeuilles individuelles présentent une rigidité diélectrique ultra élevée, même sous forme monocouche, qui dépasse celle des matériaux diélectriques conventionnels. Les condensateurs à nanofeuilles empilés multicouches présentent des densités d'énergie ultra élevées, des rendements élevés, une excellente fiabilité et une stabilité en température.

"La structure pérovskite est connue comme la meilleure structure pour les ferroélectriques, car elle possède d'excellentes propriétés diélectriques telles qu'une polarisation élevée", explique le professeur Minoru Osada de l'Institut des matériaux et systèmes pour la durabilité (IMaSS) de l'Université de Nagoya. "Nous avons découvert qu'en utilisant cette propriété, un champ électrique élevé pouvait être appliqué à des matériaux diélectriques à forte polarisation et converti en énergie électrostatique sans perte, atteignant ainsi la densité d'énergie la plus élevée jamais enregistrée."

Les résultats de l'équipe de recherche confirment que la densité d'énergie du condensateur diélectrique nanofeuille a augmenté de 1 à 2 fois tout en conservant la même densité de sortie élevée. De plus, les condensateurs diélectriques à base de nanocouches ont atteint une densité d'énergie élevée qui a maintenu sa stabilité sur plusieurs cycles d'utilisation, même à des températures allant jusqu'à 300°C.

« Cette réalisation fournit de nouvelles lignes directrices de conception pour le développement de condensateurs diélectriques et devrait s'appliquer aux dispositifs de stockage d'énergie entièrement solides qui tirent parti des caractéristiques de la nanofeuille : haute densité d'énergie, haute densité de puissance, temps de charge aussi court que possible. quelques secondes, une longue durée de vie et une stabilité à haute température », a déclaré Osada.

« Les condensateurs diélectriques possèdent la capacité de libérer l’énergie stockée en un temps extrêmement court et de créer une tension ou un courant pulsé intense. Ces fonctionnalités sont utiles dans de nombreuses applications de décharge pulsée et d’électronique de puissance. En plus des véhicules électriques hybrides, ils seraient également utiles dans les accélérateurs de haute puissance et les dispositifs micro-ondes de haute puissance.

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