Technologie Nanosheet développée pour booster les condensateurs diélectriques de stockage d'énergie

Un groupe de recherche dirigé par le professeur Minoru Osada de l'Institut des matériaux et systèmes pour la durabilité (IMaSS), de l'Université de Nagoya au Japon, en collaboration avec le NIMS, a développé un dispositif à nanofeuilles offrant les performances de stockage d'énergie les plus élevées jamais vues.Leurs résultats ont été publiésdans Nano Lettres.

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. La technologie actuelle de stockage d’énergie, telle que les batteries lithium-ion, présente des temps de charge longs et des problèmes, notamment la dégradation de l’électrolyte, la durée de vie et même l’allumage involontaire.

Les condensateurs de stockage d’énergie diélectrique sont une alternative prometteuse. La structure de base du condensateur est un film de type sandwich composé de deux électrodes métalliques séparées par un film diélectrique solide. Les diélectriques sont des matériaux qui stockent l'énergie grâce à un mécanisme physique de déplacement de charge appelé polarisation. Lorsqu’un champ électrique est appliqué au condensateur, les charges positives sont attirées vers l’électrode négative. Les charges négatives sont attirées vers l'électrode positive. Ensuite, le stockage de l’énergie électrique dépend de la polarisation du film diélectrique par application d’un champ électrique externe.

"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 déclaré Osada. Cependant, la densité énergétique des diélectriques actuels est loin de répondre à la demande croissante d’énergie électrique. L’amélioration de la densité énergétique aiderait les condensateurs diélectriques à rivaliser avec d’autres dispositifs de stockage d’énergie.

Étant donné que l'énergie stockée dans un condensateur diélectrique est liée au degré de polarisation, la clé pour obtenir une densité d'énergie 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 aller au-delà de la recherche diélectrique conventionnelle, le groupe a utilisé des couches de 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 résultats du groupe de recherche ont confirmé que les condensateurs diélectriques à nanofeuilles atteignaient une densité d'énergie supérieure d'un à deux ordres de grandeur 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.

« 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 court d'aussi peu que 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.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Internet de l'Université de Nagoya