Cientistas da Universidade de Washington, em St. Louis , desenvolveram um novo material que aumenta a capacidade de armazenar energia eletrostática . O material consiste em heteroestruturas artificiais feitas de membranas 2D e 3D independentes, que possuem densidade de energia até 19 vezes maior que os capacitores disponíveis comercialmente. Isso nos permitirá construir capacitores altamente inovadores e mudar a forma como a eletrônica funciona. O chefe da pesquisa é o professor Sang-Hoon Bae, que descreveu este novo material para a Science .
Os capacitores eletrostáticos desempenham um papel crucial na eletrônica moderna. Eles permitem carregamento e descarregamento muito rápidos, fornecendo energia e armazenamento de energia para dispositivos que vão desde smartphones, laptops e roteadores até dispositivos médicos, eletrônicos automotivos e equipamentos industriais. A sua função, por um lado, é filtrar e estabilizar os sinais eléctricos, eliminando perturbações, e por outro, acumular energia para libertar um impulso controlado quando necessário. Este segundo ponto torna importante a potência que pode ser acumulada pelo capacitor.
Porém, os materiais ferroelétricos utilizados em capacitores apresentam perdas significativas de energia devido às propriedades do material, dificultando o fornecimento de alta capacidade de armazenamento de energia.
Heteroestruturas artificiais constituídas por membranas 2D e 3D independentes desenvolvidas pelo laboratório de Sang-Hoon Bae possuem densidade de energia até 19 vezes maior que os capacitores disponíveis comercialmente
Bae e seus colaboradores, incluindo Rohan Mishra, professor associado de engenharia mecânica e ciência de materiais, e Chuan Wang, professor associado de engenharia elétrica e de sistemas, ambos na WashU, e Frances Ross, professora TDK em Ciência e Engenharia de Materiais no MIT, apresentaram um abordagem para controlar o tempo de relaxamento – uma propriedade interna do material que descreve o tempo que a carga leva para se dissipar ou decair – de capacitores ferroelétricos usando materiais 2D.
A equipe desenvolveu novas heteroestruturas 2D/3D/2D que podem minimizar a perda de energia, mantendo as propriedades vantajosas dos materiais ferroelétricos 3D. Sua abordagem combina de forma inteligente materiais 2D e 3D em camadas atomicamente finas, com ligações químicas e não químicas cuidadosamente pensadas entre cada camada. Um núcleo 3D muito fino é colocado entre duas camadas 2D externas para criar uma pilha com apenas cerca de 30 nanômetros de espessura. Isto é cerca de um décimo do tamanho de uma partícula viral média. Praticamente, os sanduíches são feitos de materiais com estruturas atômicas bidimensionais e tridimensionais alternadas, cujas qualidades na conservação de energia são únicas.
“Criamos uma nova estrutura baseada nas inovações que já fizemos em meu laboratório com materiais 2D”, disse Bae. “Inicialmente, não estávamos focados no armazenamento de energia, mas ao explorarmos as propriedades dos materiais, descobrimos um novo fenómeno físico que percebemos que poderia ser aplicado ao armazenamento de energia, e que era muito interessante e potencialmente muito mais útil”.
As heteroestruturas 2D/3D/2D foram cuidadosamente elaboradas para ficarem no ponto de equilíbrio entre condutividade e não condutividade, onde os materiais semicondutores têm propriedades elétricas ideais para armazenamento de energia. Com este projeto, Bae e seus colaboradores relataram uma densidade de energia até 19 vezes maior do que os capacitores ferroelétricos disponíveis comercialmente, e alcançaram uma eficiência de mais de 90%, também sem precedentes.
“Basicamente, a estrutura que desenvolvemos é um novo material eletrônico”, disse Bae. “Ainda não estamos 100% ideais, mas já estamos superando outros laboratórios. Nossos próximos passos serão melhorar ainda mais a estrutura desse material, para que possamos atender à necessidade de carga e descarga ultrarrápida e densidades de energia muito altas nos capacitores. Precisamos ser capazes de fazer isso sem perder capacidade de armazenamento durante carregamentos repetidos, para ver este material amplamente utilizado em grandes produtos eletrônicos, como veículos elétricos e outras tecnologias verdes em desenvolvimento.”
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O artigo Avanço no mundo dos capacitores: materiais de alto desempenho abrem caminho para novos eletrônicos vem do Scenari Economici .
Esta é uma tradução automática de uma publicação publicada em Scenari Economici na URL https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ em Sat, 27 Apr 2024 07:00:09 +0000.