Svolta nel mondo dei condensatori: materiali super performanti aprono la strada a una nuova elettronica

Gli scienziati della Washington University di St. Louis hanno sviluppato un nuovo materiale che potenzia la capacità di accumulo di energia elettrostatica. Il materiale è costituito da eterostrutture artificiali fatte di membrane 2D e 3D indipendenti, che hanno una densità energetica fino a 19 volte superiore rispetto ai condensatori disponibili in commercio. Questo permetterà di costruire dei condensatori altamente innovativi e di cambiare il modo in cui funziona l’elettronica.  A capo della ricerca vi è il professor Sang-Hoon Bae che ha descritto questo nuovo materiale a Science.

I condensatori elettrostatici svolgono un ruolo cruciale nell’elettronica moderna. Consentono di caricare e scaricare in modo  molto veloce, fornendo accumulo di energia e potenza a dispositivi che vanno dagli smartphone, ai computer portatili e ai router, fino ai dispositivi medici, all’elettronica automobilistica e alle apparecchiature industriali. La loro funzione da un lato è quella di filtrare e stabilizzare i segnali elettrici, eliminando i disturbi, dall’altro quello di accumulare l’energia in modo da rilasciare un impulso controllato quando richiesto. Questo secondo  punto rende importante la potenza accumulabile dal condensatore.

Tuttavia, i materiali ferroelettrici utilizzati nei condensatori presentano una significativa perdita di energia a causa delle loro proprietà materiali, rendendo difficile fornire un’elevata capacità di accumulo di energia.

Le eterostrutture artificiali costituite da membrane 2D e 3D indipendenti sviluppate dal laboratorio di Sang-Hoon Bae hanno una densità energetica fino a 19 volte superiore rispetto ai condensatori disponibili in commercio

Bae e i suoi collaboratori, tra cui Rohan Mishra, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e Chuan Wang, professore associato di ingegneria elettrica e dei sistemi, entrambi alla WashU, e Frances Ross, TDK Professor in Scienza dei Materiali e Ingegneria al MIT, hanno introdotto un approccio per controllare il tempo di rilassamento – una proprietà interna del materiale che descrive il tempo necessario alla carica per dissiparsi o decadere – dei condensatori ferroelettrici usando materiali 2D.

Il team ha sviluppato nuove eterostrutture 2D/3D/2D che possono ridurre al minimo la perdita di energia, conservando le proprietà materiali vantaggiose dei materiali ferroelettrici 3D. Il loro approccio unisce abilmente i materiali 2D e 3D in strati atomicamente sottili, con legami chimici e non chimici attentamente studiati tra ogni strato. Un nucleo 3D molto sottile viene inserito tra due strati 2D esterni per creare una pila spessa solo circa 30 nanometri. Si tratta di circa un decimo delle dimensioni di una particella virale media. Praticamente vengono realizzati dei sandwich di materiali con strutture atomiche bi e tri dimensionali alternate le cui qualità nella conservazione dell’energia sono uniche. 

“Abbiamo creato una nuova struttura basata sulle innovazioni che abbiamo già apportato nel mio laboratorio con i materiali 2D”, ha detto Bae. “Inizialmente, non eravamo concentrati sull’accumulo di energia, ma durante l’esplorazione delle proprietà dei materiali, abbiamo trovato un nuovo fenomeno fisico che abbiamo capito poteva essere applicato all’accumulo di energia, ed era molto interessante e potenzialmente molto più utile”.

Le eterostrutture 2D/3D/2D sono state finemente realizzate per posizionarsi nel punto di equilibrio tra conduttività e non conduttività, dove i materiali semiconduttori hanno proprietà elettriche ottimali per l’accumulo di energia. Con questo design, Bae e i suoi collaboratori hanno riportato una densità energetica fino a 19 volte superiore rispetto ai condensatori ferroelettrici disponibili in commercio, e hanno raggiunto un’efficienza superiore al 90%, anch’essa senza precedenti.

“Fondamentalmente, la struttura che abbiamo sviluppato è un nuovo materiale elettronico”, ha detto Bae. “Non siamo ancora ottimali al 100%, ma stiamo già superando le prestazioni di altri laboratori. I nostri prossimi passi saranno quelli di migliorare ulteriormente la struttura di questo materiale, in modo da poter soddisfare l’esigenza di carica e scarica ultrarapide e di densità energetiche molto elevate nei condensatori. Dobbiamo essere in grado di farlo senza perdere la capacità di accumulo nel corso di cariche ripetute, per vedere questo materiale utilizzato ampiamente nell’elettronica di grandi dimensioni, come i veicoli elettrici, e in altre tecnologie verdi in via di sviluppo”.