Curvas de histerese mostrando as propriedades elétricas de materiais antiferroelétricos. Cores diferentes representam composições de elementos de terras raras diferentes e os quatro gráficos representam orientações de campo elétrico diferentes. Crédito:Xu et al. Publicado em Nature Communications
(Phys.org) —Um dos maiores desafios na geração de energia a partir de fontes renováveis é encontrar uma maneira de armazenar a energia continuamente flutuante que está sendo produzida. Baterias, supercapacitores, e a maioria das outras tecnologias de armazenamento de energia normalmente não consegue responder com rapidez suficiente às flutuações de segundo a segundo inerentes às fontes de energia eólica e solar. Um dispositivo que tem uma resposta suficientemente rápida são os capacitores eletrostáticos, mas sua desvantagem é sua baixa densidade de energia - eles simplesmente não podem armazenar muita energia em um determinado volume.
Resolvendo este problema, pesquisadores em um novo estudo mostraram em simulações que materiais antiferroelétricos baseados em bismuto podem potencialmente exibir densidades de energia muito altas (150 J / cm 3 ), tornando-os um material candidato promissor para capacitores eletrostáticos. Os resultados apontam para a possibilidade de um alto desempenho, dispositivo de armazenamento de energia ecologicamente correto para fontes de energia renováveis.
Os pesquisadores, Bin Xu e Laurent Bellaiche da Universidade de Arkansas, e Jorge Íñiguez do Instituto de Ciência e Tecnologia de Luxemburgo, publicaram um artigo sobre sua investigação de antiferroelétricos para armazenamento de energia em uma edição recente da Nature Communications .
"Prevemos que a ferrita de bismuto substituída por terras raras é um sistema muito promissor para armazenamento de energia de alta potência devido às suas altas densidades de energia e boas eficiências, bem como suas flexibilidades de ajuste, "Xu disse Phys.org . "O modelo que desenvolvemos conecta as propriedades de armazenamento com propriedades energéticas fundamentais, o que pode levar à descoberta de novos materiais de armazenamento baseados em antiferroelétricos. "
A principal característica dos materiais antiferroelétricos é que seus dipolos elétricos adjacentes apontam em direções opostas, que se cancelam e resultam em uma polarização líquida de zero. Como resultado, os materiais se tornam ferroelétricos sob a aplicação de um campo elétrico suficientemente grande. Essas propriedades elétricas podem ser facilmente ajustadas controlando uma variedade de parâmetros.
No novo estudo, os cientistas aproveitaram essa capacidade de ajuste para aumentar a densidade de energia e a eficiência de um composto antiferroelétrico sem chumbo específico (BiFeO substituído por terras raras 3 ) Ao alterar a orientação do campo elétrico e a composição de terras raras, os pesquisadores previram o potencial para uma densidade de energia muito alta e alta eficiência. Eles esperam que o ajuste de outros parâmetros, tais como cepas ou adição de outros dopantes de terras raras, pode melhorar ainda mais essas propriedades.
As simulações também permitiram aos pesquisadores desenvolver um modelo para explicar a conexão entre a densidade de energia e os parâmetros sintonizáveis aqui investigados. Este modelo também deve fornecer orientação para o desenvolvimento de capacitores baseados em antiferroelétricos no futuro. Os pesquisadores esperam que esses resultados teóricos motivem esforços para demonstrar experimentalmente materiais antiferroelétricos com altas densidades de energia.
"Com o modelo, estamos interessados em avaliar as propriedades de armazenamento de antiferroelétricos conhecidos e hipotéticos por meio de cálculos de primeiros princípios de alto rendimento, "Bellaiche disse." Os candidatos promissores serão examinados mais detalhadamente, em colaboração com experimentalistas e outros teóricos. "
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