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Um grupo de pesquisa liderado pelo professor Minoru Osada no Instituto de Materiais e Sistemas para Sustentabilidade (IMaSS) da Universidade de Nagoya, no Japão, em colaboração com o NIMS, desenvolveu um dispositivo de nanofolha com o mais alto desempenho de armazenamento de energia já visto. Seus resultados foram publicados em Nano Letras.
As inovações na tecnologia de armazenamento de energia são vitais para o uso eficaz de energia renovável e a produção em massa de veículos elétricos. A tecnologia atual de armazenamento de energia, como as baterias de íon-lítio, apresenta longos tempos de carregamento e problemas, incluindo degradação de eletrólitos, vida útil e até mesmo ignição indesejada.
Uma alternativa promissora são os capacitores de armazenamento de energia dielétrica. A estrutura básica do capacitor é um filme tipo sanduíche feito de dois eletrodos de metal separados por um filme dielétrico sólido. Dielétricos são materiais que armazenam energia através de um mecanismo de deslocamento de carga física chamado polarização. Quando um campo elétrico é aplicado ao capacitor, as cargas positivas são atraídas para o eletrodo negativo. As cargas negativas são atraídas para o eletrodo positivo. Então, o armazenamento de energia elétrica depende da polarização do filme dielétrico pela aplicação de um campo elétrico externo.
“Os capacitores dielétricos têm muitas vantagens, como um curto tempo de carregamento de apenas alguns segundos, longa vida útil e alta densidade de potência”, disse Osada. No entanto, a densidade de energia dos dielétricos de corrente fica significativamente aquém de atender às demandas crescentes de energia elétrica. Aumentar a densidade de energia ajudaria os capacitores dielétricos a competir com outros dispositivos de armazenamento de energia.
Como a energia armazenada em um capacitor dielétrico está relacionada à quantidade de polarização, a chave para alcançar alta densidade de energia é aplicar um campo elétrico tão alto quanto possível a um material de alta constante dielétrica. No entanto, os materiais existentes são limitados pela quantidade de campo elétrico que podem suportar.
Para ir além da pesquisa dielétrica convencional, o grupo utilizou camadas de nanofolhas feitas de cálcio, sódio, nióbio e oxigênio com estrutura cristalina de perovskita. “A estrutura da perovskita é conhecida como a melhor estrutura para ferroelétricos, pois possui excelentes propriedades dielétricas, como alta polarização”, explica Osada. “Descobrimos que, ao usar essa propriedade, um alto campo elétrico poderia ser aplicado a materiais dielétricos com alta polarização e convertido em energia eletrostática sem perda, alcançando a maior densidade de energia já registrada”.
As descobertas do grupo de pesquisa confirmaram que os capacitores dielétricos de nanofolha alcançaram uma densidade de energia 1-2 ordens de magnitude mais alta, mantendo a mesma alta densidade de saída. De maneira empolgante, o capacitor dielétrico baseado em nanofolha alcançou uma alta densidade de energia que manteve sua estabilidade em vários ciclos de uso e foi estável mesmo em altas temperaturas de até 300°C.
“Essa conquista fornece novas diretrizes de design para o desenvolvimento de capacitores dielétricos e espera-se que se aplique a todos os dispositivos de armazenamento de energia em estado sólido que aproveitem os recursos da nanofolha de alta densidade de energia, alta densidade de potência, curto tempo de carregamento de apenas alguns segundos, vida útil longa e estabilidade em altas temperaturas”, disse Osada. “Os capacitores dielétricos possuem a capacidade de liberar energia armazenada em um tempo extremamente curto e criar uma intensa tensão ou corrente pulsada. Esses recursos são úteis em muitas aplicações eletrônicas de potência e descarga pulsada. Além de veículos elétricos híbridos, eles também seriam úteis em aceleradores de alta potência e dispositivos de microondas de alta potência.”
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