Capacitor de alta densidade de energia promete múltiplas aplicações

Pesquisadores nos EUA desenvolveram um protótipo de capacitor de alta densidade de energia com aplicações potenciais em setores como automotivo, saúde e defesa.

O dispositivo atualmente mede 1 polegada por 1 polegada, mas a equipe da Universidade de Houston, Texas, da Jackson State University, Mississippi, e da Howard University, Washington, DC disse que poderia ser ampliado para “potencialmente revolucionar os sistemas de armazenamento de energia”. .

As descobertas da equipe são detalhadas no ACS Nano .

Em um comunicado, Alamgir Karim, presidente da Dow e professor de engenharia química da Welch Foundation na UH, disse: “Capacitores de alta energia e alta potência são essenciais para um fornecimento de energia confiável, especialmente à medida que passamos a usar mais fontes de energia renováveis. No entanto, os capacitores dielétricos atuais não armazenam tanta energia quanto outros tipos de dispositivos de armazenamento de energia, como baterias. A maior densidade de potência dos capacitores os torna mais atraentes para uma infinidade de aplicações em comparação com as baterias.”

A quantidade de energia que um capacitor pode armazenar depende de sua permissividade e de sua resistência à ruptura dielétrica.

“Para aumentar o armazenamento de energia de um capacitor, precisamos melhorar ambos”, disse Karim.

Neste estudo, os pesquisadores projetaram um novo tipo de capacitor usando polímeros em camadas com nanocargas 2D orientadas derivadas de flocos mecanicamente esfoliados de materiais 2D.

Os pesquisadores maximizaram o armazenamento de energia organizando esses materiais em camadas específicas, criando uma estrutura para melhorar o desempenho do capacitor. De acordo com UH, este novo design mostrou desempenho melhorado com maior densidade de energia e eficiência do que capacitores com nanocargas misturadas aleatoriamente.

"Nosso trabalho demonstra o desenvolvimento de capacitores de alta energia e alta densidade de potência, bloqueando vias de ruptura elétrica em materiais poliméricos usando nanocargas 2D orientadas", disse Maninderjeet Singh, primeiro autor do artigo junto com Priyanka Das da Jackson State University. "Alcançamos uma densidade de energia ultra-alta de aproximadamente 75J/cm³, a mais alta relatada para um capacitor dielétrico polimérico até o momento."

MAIS DE MATERIAIS

A equipe de pesquisa utilizou materiais como mica e nitreto de boro hexagonal (hBN) para demonstrar a eficácia do controle da orientação de nanofolhas 2D no bloqueio de vias de ruptura elétrica. UH acrescentou que foram observadas melhorias significativas na permissividade dielétrica, mesmo com uma fração volumétrica mínima (um por cento) de nanocargas.

“Com a ajuda de técnicas mecânicas de esfoliação e transferência, alcançamos com sucesso a orientação desejada”, disse Karim.

Agora que os pesquisadores demonstraram o uso inédito de nanocompósitos estratificados de múltiplas camadas para o projeto de dispositivos poliméricos de armazenamento de energia, a equipe espera que esses capacitores híbridos sejam usados ​​em uma variedade de aplicações e trabalharão na ampliação das capacidades de armazenamento de energia. desenvolvendo interfaces orgânico-inorgânicas contínuas.

Os pesquisadores prevêem que os capacitores serão eventualmente usados ​​em dispositivos médicos, como marca-passos e desfibriladores, bem como em aplicações em eletrônica, veículos elétricos, sistemas de energia e muito mais.

"Esta pesquisa fornece informações valiosas sobre a quebra dielétrica e os fenômenos de polarização de carga em nanocompósitos poliméricos 2D", disse Singh, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Columbia. "Acreditamos que nossas descobertas inspirarão mais estudos para desenvolver capacitores com densidade de energia ainda maior, contribuindo para um futuro mais limpo e sustentável."