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Científicos de la Universidad de Washington en St. Louis han desarrollado un material novedoso que potencia la innovación en el almacenamiento de energía electrostática. El material está construido a partir de heteroestructuras artificiales hechas de membranas 2D y 3D independientes que tienen una densidad de energía hasta 19 veces mayor que los condensadores disponibles comercialmente.
Los condensadores electrostáticos juegan un papel crucial en la electrónica moderna. Permiten la carga y descarga ultrarrápida, brindando almacenamiento de energía y potencia para dispositivos que van desde teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y enrutadores hasta dispositivos médicos, electrónica automotriz y equipos industriales. Sin embargo, los materiales ferroeléctricos utilizados en los condensadores tienen una pérdida significativa de energía debido a sus propiedades materiales, lo que dificulta proporcionar una alta capacidad de almacenamiento de energía.
En un estudio publicado en Science, Sang-Hoon Bae, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha abordado este desafío de larga data en la implementación de materiales ferroeléctricos para aplicaciones de almacenamiento de energía.
Bae y sus colaboradores, incluidos Rohan Mishra, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de materiales, y Chuan Wang, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas, ambos en WashU, y Frances Ross, profesora TDK en Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT, introdujeron un enfoque para controlar el tiempo de relajación —una propiedad interna del material que describe cuánto tiempo tarda en disiparse o decaer una carga— de los condensadores ferroeléctricos utilizando materiales 2D.
Trabajando con Bae, el estudiante de doctorado Justin S. Kim y el investigador postdoctoral Sangmoon Han desarrollaron heteroestructuras novedosas 2D/3D/2D que pueden minimizar la pérdida de energía mientras conservan las ventajosas propiedades materiales de los materiales ferroeléctricos 3D. Su enfoque coloca hábilmente materiales 2D y 3D en capas atómicamente delgadas con enlaces químicos y no químicos cuidadosamente diseñados entre cada capa. Un núcleo 3D muy delgado se inserta entre dos capas exteriores 2D para crear una pila con solo aproximadamente 30 nanómetros de grosor. Eso es aproximadamente una décima parte del tamaño de una partícula viral promedio.
“Creamos una nueva estructura basada en las innovaciones que ya hemos realizado en mi laboratorio involucrando materiales 2D,” dijo Bae. “Inicialmente, no estábamos enfocados en el almacenamiento de energía, pero durante nuestra exploración de propiedades materiales, encontramos un nuevo fenómeno físico que nos dimos cuenta de que se podía aplicar al almacenamiento de energía, y eso fue algo muy interesante y potencialmente mucho más útil.”
Las heteroestructuras 2D/3D/2D están finamente elaboradas para situarse en el punto óptimo entre conductividad y no conductividad, donde los materiales semiconductores tienen propiedades eléctricas óptimas para el almacenamiento de energía. Con este diseño, Bae y sus colaboradores informaron de una densidad de energía hasta 19 veces mayor que la de los condensadores ferroeléctricos disponibles comercialmente, logrando una eficiencia superior al 90%, lo cual también es sin precedentes.
Bae explicó: “Descubrimos que el tiempo de relajación dieléctrica puede ser modulado o inducido por una brecha muy pequeña en la estructura del material. Ese nuevo fenómeno físico es algo que no habíamos visto antes. Nos permite manipular el material dieléctrico de tal manera que no se polariza ni pierde capacidad de carga.”
A medida que el mundo hace frente a la imperativa transición hacia componentes electrónicos de próxima generación, el novedoso material de heteroestructura de Bae allana el camino para dispositivos electrónicos de alto rendimiento, que abarcan desde electrónica de alta potencia, sistemas de comunicación inalámbrica de alta frecuencia, hasta chips de circuitos integrados. Estos avances son particularmente cruciales en sectores que requieren soluciones robustas de gestión de energía, como vehículos eléctricos y desarrollo de infraestructura.
“Fundamentalmente, esta estructura que hemos desarrollado es un material electrónico novedoso,” dijo Bae. “Todavía no somos 100% óptimos, pero ya estamos superando lo que otros laboratorios están haciendo. Nuestros próximos pasos serán mejorar aún más esta estructura de material, para poder satisfacer la necesidad de carga y descarga ultrarrápidas y densidades de energía muy altas en condensadores. Debemos ser capaces de hacerlo sin perder capacidad de almacenamiento en cargas repetidas para que este material sea ampliamente utilizado en electrónica grande, como vehículos eléctricos y otras tecnologías verdes en desarrollo.”
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Esta tecnología parece realmente prometedora y Bae infunde mucha confianza con sus comentarios prospectivos. Alcanzar un 100% de óptimo es una excelente manera de impulsar una importante mejora tecnológica. La idea de que la electrónica de los dispositivos esté utilizando electrónica al 100% óptima es algo muy tranquilizador. Hasta ahora rara vez sabemos qué daña nuestros dispositivos, pero los condensadores, resistencias y diodos, aunque bastante buenos, están lejos de ser infalibles, y prácticamente ningún artículo de consumo cuenta con sistemas de respaldo incorporados. Sí, esas piezas de diez centavos pueden dañar un artículo de varios cientos de dólares.
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¡Así que, adelante Profesor Bae! Que ese 100% de óptimo que mencionaste se convierta en un nuevo estándar para muchos productos y las piezas utilizadas para fabricarlos.
Por Brian Westenhaus vía New Energy and Fuel
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