Condensatori dielettrici, vantaggi e limiti
Una “fiammata” di appena un secondo per poi “congelare” i condensatori dielettrici nella loro struttura migliore. Si potrebbe semplificare così il complesso lavoro condotto nei laboratori dell’Accademia Cinese delle Scienze per migliorare le prestazioni dei capacitor ai fini dell’accumulo energetico. Il team di scienziati, guidato dal Prof. Hu Weijin dell’Istituto di ricerca sui metalli, ha messo a punto un nuovo processo per fabbricare condensatori ad alte prestazioni, un processo che potrebbe spalancare le porte a un vistoso passo avanti nel settore.
Grazie alla capacità di immagazzinare l’energia elettrostatica, i condensatori sono oggi componenti cruciali dell’elettronica e dell’elettrotecnica. Capacità che si fa notare soprattutto per l’elevata densità di potenza raggiunta e la rapida velocità di funzionamento. Zoppica invece la densità di energia, ancora troppo bassa, soprattutto se confrontata con quella delle ricaricabili agli ioni di litio. Detto in altre parole, questi dispositivi si caricano velocemente ma immagazzinano molta meno energia delle batterie.
I relaxor
L’obiettivo principale della ricerca di settore è dunque riuscire ad aumentare la densità mantenendo un’ottima efficienza. Una delle strade più promettenti per ottenere ciò si basa sull’uso di relaxor, una classe di materiali dielettrici nanostrutturati che riescono a combinare un’elevata polarizzazione con una bassa isteresi (semplificando al massimo: basse perdite energetiche). Tutto ciò si traduce in una maggiore efficienza e densità energetica.
Tuttavia, l’impiego di questi materiali richiede procedure di produzione complesse, che non solo aumentano i costi di produzione, ma complicano la fabbricazione stessa, creando barriere sostanziali al mercato.
È esattamente a questo livello che viene in aiuto la ricerca cinese. Il gruppo di scienziati ha testato un nuovo processo che supera tali complessità.
Fabbricare i condensatori con la ricottura flash
Si tratta del metodo “flash annealing”, letteralmente “ricottura ultra-veloce” o “ricottura flash”, che sfrutta la tendenza dei materiali ferroelettrici e antiferroelettrici a sviluppare caratteristiche relaxor in prossimità della loro temperatura di Curie.
La tecnica presenta velocità di riscaldamento e raffreddamento ultra-rapide, pari a 1000°C al secondo, il che permette la cristallizzazione rapida del materiale in un film a nanodomini. Il risultato è una pellicola relaxor con un’elevata resistenza di rottura e una grande polarizzazione (70 coulomb per centimetro quadrato).
I risultati dei test
Grazie a questo approccio, il dispositivo prototipale ha raggiunto una densità energetica di 63.5 joule per centimetro cubo e un’eccezionale stabilità termica. Nel dettaglio, i test dimostrano che, dopo cicli termici dal freddo estremo a -196°C a temperature roventi di 400°C, il degrado della densità e dell’efficienza di accumulo di energia rimane inferiore al 3%.
Pertanto, il condensatore può funzionare in modo affidabile in ambienti estremi che vanno dal gelido vuoto dello spazio all’alta temperatura di un pozzo sotterraneo di esplorazione petrolifera.
Non solo: l’approccio rende la fabbricazione di condensatori semplice e scalabile. Il team ha già prodotto film uniformi e ad alte prestazioni su wafer di silicio.
Lo studi di Yizhuo Li et al, “Flash annealing–engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance” è stato pubblicato su Science Advances.