Stockage d’énergie très élevé dans les pérovskites 2D à haute densité. Crédit : Minoru Osada, Université de Nagoya
Des chercheurs ont mis au point un condensateur diélectrique avancé utilisant la technologie des nanofeuilles, offrant une densité de stockage d’énergie et une stabilité sans précédent. Cette avancée pourrait considérablement améliorer l’utilisation des énergies renouvelables et la production de véhicules électriques.
Sommaire
Développement d’un condensateur diélectrique révolutionnaire
Un groupe de recherche, dirigé par 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 électroniques et électriques avancés. Les innovations en matière de technologie 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 représente une avancée technologique majeure, car il présente la densité de stockage d’énergie la plus élevée jamais enregistrée. Parmi les autres caractéristiques avantageuses, citons un temps de charge rapide, un rendement élevé, une longévité et une stabilité supérieure à haute température.
Collaboration et principales conclusions
Le groupe de recherche, dirigé par le professeur Minoru Osada de l’Institut des matériaux et des systèmes pour le développement durable (IMaSS) de l’université de Nagoya, a collaboré avec le NIMS. Ensemble, ils ont mis au point un dispositif de nanofeuillets présentant des performances de stockage d’énergie sans précédent. Leurs résultats révolutionnaires ont été publiés dans la revue Nano Letters.
La nécessité d’innover en matière de stockage de l’énergie
Les innovations en matière de technologie de stockage de l’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. Celles-ci incluent des temps de charge longs et des problèmes tels que la dégradation de l’électrolyte, une durée de vie réduite et même des risques d’inflammation spontanée.
Condensateurs diélectriques de stockage d’énergie : Une alternative prometteuse
Les condensateurs à stockage d’énergie diélectrique sont apparus comme une alternative prometteuse. Ces condensateurs possèdent une structure en sandwich composée de deux électrodes métalliques séparées par un film diélectrique solide. Les diélectriques, matériaux qui stockent l’énergie par le biais d’un mécanisme de déplacement de charge physique connu sous le nom de polarisation, sont essentiels. Lorsqu’un champ électrique est appliqué au condensateur, les charges positives et négatives sont attirées vers les électrodes opposées, ce qui facilite le stockage de l’énergie électrique.
« Les condensateurs diélectriques présentent de nombreux avantages, tels qu’un temps de charge court (quelques secondes seulement), une longue durée de vie et une densité de puissance élevée », note M. Osada. Toutefois, la densité énergétique des diélectriques actuels est nettement inférieure à la demande croissante d’énergie électrique, ce qui implique un besoin d’amélioration.
La superposition de feuilles de nanoparticules : La clé de l’innovation
L’énergie stockée dans un condensateur diélectrique est liée à la quantité 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 toutefois limités par leur capacité de champ électrique.
Pour dépasser ces limites, le groupe a utilisé des nano-feuilles composées de calcium, de sodium, de niobium et d’oxygène avec une structure cristalline de pérovskite. « La structure pérovskite est connue pour être 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. »
Implications et applications
Les condensateurs diélectriques à base de nanofeuillets ont montré une densité énergétique de 1 à 2 ordres de grandeur supérieure à celle de leurs prédécesseurs, tout en conservant la même densité de sortie élevée. Il est intéressant de noter que le condensateur diélectrique à base de nanofeuillets a atteint une densité d’énergie élevée qui a conservé sa stabilité sur plusieurs cycles d’utilisation, même à des températures élevées allant jusqu’à 300°C (572°F).
« Cette réalisation fournit de nouvelles directives de conception pour le développement de condensateurs diélectriques et devrait s’appliquer à tous les dispositifs de stockage d’énergie à l’état solide qui tirent parti des caractéristiques de la nanofeuille, à savoir une densité énergétique élevée, une densité de puissance élevée, un temps de charge court de quelques secondes seulement, une longue durée de vie et une stabilité à haute température », a déclaré M. Osada. « Les condensateurs diélectriques ont la capacité de libérer l’énergie stockée en un temps extrêmement court et de créer une tension ou un courant pulsé intense. Ces caractéristiques sont utiles dans de nombreuses applications de décharge pulsée et d’électronique de puissance. Outre les véhicules électriques hybrides, ils seraient également utiles dans les accélérateurs de haute puissance et les appareils à micro-ondes de haute puissance ».
Référence : « Ultrahigh Energy Storage in 2D High-κ Perovskites » par Hyung-Jun Kim, Shu Morita, Ki-Nam Byun, Yue Shi, Takaaki Taniguchi, Eisuke Yamamoto, Makoto Kobayashi, Yasuo Ebina, Takayoshi Sasaki et Minoru Osada, 1 mai 2023, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00079