Como tecnología ecológica, sostenible y competitiva en relación con las baterías y los condensadores electroquímicos y que presenta una alta capacidad de almacenamiento de carga, los condensadores dieléctricos destacan por su bajo costo, larga vida útil y un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, así como por su respeto al medio ambiente, altaseguridad y buena confiabilidad.

Lo más importante es que superan a otras tecnologías en términos de densidad de potencia ultraalta debido a su incomparable velocidad de carga y descarga.Estas características han creado una serie de aplicaciones para ellos en el poder.dispositivos electronicosy equipos de potencia pulsada.Entre los condensadores dieléctricos, los ferroeléctricos pueden proporcionar unaalta densidad de energíadebido a la gran polarización eléctrica, por lo que recibe cada vez más atención.

Recientemente, un equipo de científicos de materiales dirigido por Jun Ouyang y Hanfei Zhu de la Universidad Tecnológica de Qilu en Jinan, China, informó sobre una estrategia eficaz que tenía como objetivo lograr mejoras sincrónicas en la densidad, eficiencia y estabilidad del almacenamiento de energía de los condensadores ferroeléctricos mediante la construcción de un tri simple.-Heteroestructura de película de capa en la que una capa ferroeléctrica bien cristalizada estaba intercalada por dos capas dieléctricas pseudolineales con una microestructura amorfa dominante, que puede convertirse en una vía generalmente efectiva para mejorar el rendimiento de almacenamiento de energía de los condensadores ferroeléctricos que funcionan en diversos entornos hostiles.

El equipo publicó su trabajo en elRevista de cerámica avanzada.

"En este informe, proponemos una estrategia para aumentar el rendimiento y la estabilidad del almacenamiento de energía de los condensadores ferroeléctricos simultáneamente mediante la construcción de una película de tres capas en la que una capa ferroeléctrica bien cristalizada estaba intercalada por dos capas dieléctricas pseudolineales con una estructura amorfa dominante.".

"Hemos implementado con éxito esta estrategia de diseño en el BaTiO derivado de sol-gel.₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/BaTiO₃películas de tres capas mediante un recocido térmico rápido.Esta película intercalada está dotada de una gran densidad de energía W_rec(~80 J/cm³) y una alta eficienciah (~86%), especialmente una excelente estabilidad cíclica que puede soportar 10⁹ciclos eléctricos."

"Este trabajo innovador allanará el camino para la utilización de películas ferroeléctricas intercaladas en aplicaciones de sistemas de energía eléctrica y dispositivos avanzados de descarga pulsada", dijo Hanfei Zhu, profesor asociado de la Facultad de Química e Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Qilu (China), y un joven experto cuyos intereses de investigación se centran en el campo de los materiales ferroeléctricos y multiferroicos.

"A diferencia de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos, la baja densidad de energía de los condensadores dieléctricos es un cuello de botella fatal en las aplicaciones, especialmente en dispositivos miniaturizados y sistemas integrados", dijo Hanfei Zhu.

Debido a sus grandes polarizaciones eléctricas, los condensadores de película ferroeléctrica han demostrado un gran potencial para proporcionar una alta densidad de energía.Sin embargo, existe un equilibrio, generalmente una correlación negativa, entre la polarización (P) y la fuerza de ruptura (E).b_{) y la pérdida más fácil de películas ferroeléctricas limitan gravemente el aumento adicional de la densidad y la eficiencia energética.}Más allá de eso, los condensadores de película son vulnerables a posibles daños causados ​​por los cambios en la temperatura del circuito, la frecuencia de trabajo y la tasa de carga.

"Entonces, cómo romper o mitigar los acoplamientos entre polarización, resistencia a la ruptura y pérdida mediante esfuerzos para mejorar el rendimiento del almacenamiento de energía y las estabilidades en un amplio rango de temperatura, frecuencia y tiempo de ciclo se ha convertido en un desafío para los condensadores de película ferroeléctrica." dijo Hanfei Zhu.

Para abordar estos problemas anteriores, el equipo de Zhu propuso una estrategia eficaz que tenía como objetivo lograr mejoras sincrónicas en la densidad, eficiencia y estabilidad del almacenamiento de energía de los condensadores de película ferroeléctrica mediante la construcción de una estructura de película simple de tres capas en la que se intercalaba una capa ferroeléctrica bien cristalizada.por dos capas dieléctricas pseudolineales con una microestructura amorfa dominante.

El equipo de investigación proporcionó un paradigma de sándwich BaTiO₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/BaTiO₃Película delgada fabricada sobre un sustrato de Si recubierto de Pt mediante un método sol-gel de bajo costo que se combina con un proceso rápido de recocido térmico (RTA).

La capa PLCT completamente cristalizada en una película tipo sándwich y la capa amorfa de BTO con algunos grupos de nanocristales (NC) distribuidos independientemente trabajan juntas para crear una gran densidad de energía W._rec(~80 J/cm³) y una alta eficiencia h (~86%), especialmente sus estabilidades de almacenamiento de energía muy mejoradas frente a una temperatura variable (25â150 â), frecuencia (20 Hzâ10 kHz) y ciclo de carga-descarga (hastaa 10⁹ciclos).

"Nuestro trabajo muestra que las películas delgadas tipo sándwich mediante el codiseño de estructuras de fase amorfas y completamente cristalizadas dispersas con nanocristales pueden convertirse en una vía generalmente eficaz para mejorar el rendimiento de almacenamiento de energía de los condensadores ferroeléctricos que funcionan en entornos hostiles", dijo Hanfei Zhu.

Más información:Jinpeng Liu et al, Rendimiento y estabilidad del almacenamiento de energía mejorados sinérgicamente en BaTiO procesado en solâgel₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/BaTiO₃películas de tres capas con una estructura sándwich de ingeniería cristalina,Revista de cerámica avanzada(2023).DOI: 10.26599/JAC.2023.9220821

Proporcionado porPrensa de la Universidad de Tsinghua