Capacitores que armazenam e liberam energia elétrica rapidamente são componentes-chave na eletrônica e nos sistemas de energia modernos. Contudo, os mais comumente usados ​​têm baixas densidades de energia em comparação com outros sistemas de armazenamento, como baterias ou células de combustível, que por sua vez não pode descarregar e recarregar rapidamente sem sofrer danos.

Agora, conforme relatado no jornal Ciência , os pesquisadores encontraram o melhor dos dois mundos. Ao introduzir defeitos isolados em um tipo de filme fino disponível comercialmente em uma etapa de pós-processamento direta, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia (DOE) demonstrou que um material comum pode ser processado em um material de armazenamento de energia de alto desempenho.

A pesquisa é apoiada pelo Projeto Materiais, um banco de dados online de acesso aberto que oferece virtualmente a maior coleção de propriedades de materiais para cientistas de todo o mundo. Hoje, o Projeto de Materiais combina esforços computacionais e experimentais para, entre outros objetivos, acelerar o design de novos materiais funcionais. Isso inclui a compreensão de maneiras de manipular materiais conhecidos de forma a melhorar seu desempenho.

Os crescentes requisitos para redução de custos e miniaturização de dispositivos impulsionaram o desenvolvimento de capacitores de alta densidade de energia. Capacitores são comumente usados ​​em dispositivos eletrônicos para manter o fornecimento de energia enquanto a bateria está sendo carregada. O novo material desenvolvido no Berkeley Lab poderia, em última análise, combinar a eficiência, confiabilidade, e robustez dos capacitores com os recursos de armazenamento de energia de baterias em grande escala. Os aplicativos incluem dispositivos eletrônicos pessoais, tecnologia utilizável, e sistemas de áudio para automóveis.

O material é baseado em um chamado "ferroelétrico relaxor, "que é um material cerâmico que sofre uma rápida resposta mecânica ou eletrônica a um campo elétrico externo e é comumente usado como um capacitor em aplicações como ultrassom, sensores de pressão, e geradores de tensão.

O campo aplicado impulsiona mudanças na orientação dos elétrons no material. Ao mesmo tempo, o campo impulsiona uma mudança na energia armazenada nos materiais, tornando-os um bom candidato para uso além de um capacitor de pequena escala. O problema a resolver é como otimizar o ferroelétrico para que possa ser carregado em altas tensões e descarregado muito rapidamente - bilhões de vezes ou mais - sem sofrer danos que o tornariam inadequado para uso de longo prazo em aplicações como computadores e veículos .

Pesquisadores do laboratório de Lane Martin, um cientista docente da Divisão de Ciências de Materiais (MSD) no Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade da Califórnia, Berkeley, conseguiu isso introduzindo defeitos locais que permitiram resistir a tensões maiores.

"Você provavelmente já experimentou ferroelétrico relaxante em uma churrasqueira a gás. O botão que acende a churrasqueira opera um martelo com mola que atinge um cristal piezoelétrico, que é um tipo de relaxante, e cria uma voltagem que inflama o gás, "explicou Martin." Nós demonstramos que eles também podem ser transformados em alguns dos melhores materiais para aplicações de armazenamento de energia. "

Colocar um material ferroelétrico entre dois eletrodos e aumentar o campo elétrico causa o acúmulo de carga. Durante a alta, a quantidade de energia disponível depende de quão fortemente os elétrons do material se orientam, ou se tornar polarizado, em resposta ao campo elétrico. Contudo, a maioria desses materiais normalmente não consegue resistir a um grande campo elétrico antes que o material falhe. O desafio fundamental, Portanto, é encontrar uma maneira de aumentar o campo elétrico máximo possível sem sacrificar a polarização.

Os pesquisadores se voltaram para uma abordagem que haviam desenvolvido anteriormente para "desligar" a condutividade em um material. Ao bombardear um filme fino com partículas carregadas de alta energia conhecidas como íons, eles foram capazes de introduzir defeitos isolados. Os defeitos prendem os elétrons do material, impedindo seu movimento e diminuindo a condutividade do filme em ordens de magnitude.

“Em ferroelétricos, que deveriam ser isolantes, ter a carga que vaza através deles é um grande problema. Ao bombardear ferroelétricos com feixes de íons de alta energia, sabíamos que poderíamos torná-los melhores isolantes, "disse Jieun Kim, pesquisador doutorado no grupo de Martin e autor principal do artigo. "Nós então perguntamos, poderíamos usar essa mesma abordagem para fazer um relaxante ferroelétrico suportar tensões e campos elétricos maiores antes de falhar catastroficamente? "

A resposta acabou sendo "sim". Kim fabricou pela primeira vez filmes finos de um prototípico relaxante ferroelétrico denominado chumbo niobita-titanato de magnésio. Então, ele direcionou os filmes com íons de hélio de alta energia no Ion-Beam Analysis Facility operado pela Divisão de Tecnologia de Acelerador e Física Aplicada (ATAP) no Laboratório de Berkeley. Os íons de hélio expulsaram os íons-alvo de seus locais para criar defeitos pontuais. As medições mostraram que o filme bombardeado com íons tinha mais do que o dobro da densidade de armazenamento de energia dos valores relatados anteriormente e eficiências 50% mais altas.

"Esperávamos originalmente que os efeitos fossem principalmente da redução do vazamento com defeitos pontuais isolados. No entanto, percebemos que a mudança na relação polarização-campo elétrico devido a alguns desses defeitos era igualmente importante, "disse Martin." Essa mudança significa que são necessárias tensões aplicadas cada vez maiores para criar a mudança máxima na polarização. "O resultado sugere que o bombardeio de íons pode ajudar a superar o trade-off entre ser altamente polarizável e facilmente quebrável.

A mesma abordagem de feixe de íons também pode melhorar outros materiais dielétricos para melhorar o armazenamento de energia, e fornece aos pesquisadores uma ferramenta para reparar problemas em materiais já sintetizados. "Seria ótimo ver as pessoas usarem essas abordagens de feixe de íons para 'curar' materiais em dispositivos após o fato, se o processo de síntese ou produção não fosse perfeito, "disse Kim.