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Aug 18, 2023

Par Université de Nagoya18 juillet 2023

Stockage d'énergie ultra-élevé dans les pérovskites 2D à haut κ. Crédit : Minoru Osada, Université de Nagoya

Les chercheurs ont développé un condensateur diélectrique avancé utilisant la technologie des nanofeuilles, offrant une densité et une stabilité de stockage d'énergie sans précédent. Cette avancée pourrait considérablement améliorer l’utilisation des énergies renouvelables et la production de véhicules électriques.

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"}]"> L'Université de Nagoya au Japon a appliqué de manière innovante la technologie des nanofeuilles pour créer un condensateur diélectrique. Ce développement a des implications significatives pour les systèmes d’alimentation électroniques et électriques avancés. Les innovations dans les technologies de stockage de l’énergie sont essentielles à l’utilisation efficace des énergies renouvelables et à la production de masse de véhicules électriques. Le condensateur diélectrique constitue une avancée technologique majeure, offrant la densité de stockage d’énergie la plus élevée jamais enregistrée. D'autres caractéristiques avantageuses incluent un temps de charge rapide, un rendement élevé, une longévité et une stabilité supérieure à haute température.

Le groupe de recherche, dirigé par le professeur Minoru Osada de l'Institut des matériaux et systèmes pour la durabilité (IMaSS), Université de Nagoya, a collaboré avec le NIMS. Ensemble, ils ont développé un dispositif à nanofeuilles affichant des performances de stockage d'énergie sans précédent. Leurs résultats révolutionnaires ont été présentés dans la revue Nano Letters.

Les innovations dans les technologies de stockage d’énergie sont cruciales pour l’utilisation optimale des énergies renouvelables et la production de masse de véhicules électriques. Les technologies de stockage d’énergie existantes, telles que les batteries lithium-ion, présentent des limites. Ceux-ci incluent de longs temps de charge et des problèmes tels que la dégradation de l’électrolyte, une durée de vie réduite et même des risques d’inflammation spontanée.

Les condensateurs de stockage d’énergie diélectrique sont apparus comme une alternative prometteuse. Ces condensateurs possèdent une structure de type sandwich composée de deux électrodes métalliques séparées par un film diélectrique solide. Les diélectriques, matériaux qui stockent l’énergie via un mécanisme physique de déplacement de charge appelé polarisation, sont essentiels. Lorsqu'un champ électrique est appliqué au condensateur, les charges positives et négatives sont attirées vers les électrodes opposées, facilitant ainsi le stockage de l'énergie électrique.

"Les condensateurs diélectriques 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", a noté Osada. Cependant, la densité énergétique des diélectriques actuels est nettement inférieure à la demande croissante en énergie électrique, ce qui implique un besoin d’amélioration.

L'énergie stockée dans un condensateur diélectrique est liée au degré de polarisation. Par conséquent, une densité d’énergie élevée peut être obtenue en appliquant un champ électrique aussi élevé que possible à un matériau à constante diélectrique élevée. Les matériaux existants sont cependant limités par leur capacité de champ électrique.

Pour surpasser cela, le groupe a utilisé des nanofeuilles composées de calcium, de sodium, de niobium et d'oxygène avec une structure cristalline de pérovskite. "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 Osada. "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 condensateurs diélectriques à nanofeuilles présentaient une densité d'énergie de 1 à 2 ordres de grandeur supérieure à celle de leurs prédécesseurs, tout en conservant la même densité de sortie élevée. Fait intéressant, le condensateur diélectrique à base de nanofeuilles a atteint une densité d'énergie élevée qui a maintenu sa stabilité sur plusieurs cycles d'utilisation et est resté stable même à des températures élevées allant jusqu'à 300°C (572°F).