Al introducir defectos en un material común, los investigadores del Laboratorio de Berkeley crearon un condensador altamente eficiente con una densidad de energía dramáticamente incrementada
Los condensadores que almacenan y liberan rápidamente la energía eléctrica son componentes clave en los sistemas electrónicos y de energía modernos. Sin embargo, los más utilizados tienen densidades de energía bajas en comparación con otros sistemas de almacenamiento como las baterías o las pilas de combustible, que a su vez no pueden descargarse y recargarse rápidamente sin sufrir daños.
Ahora, como se informa en la revista Science, los investigadores han encontrado lo mejor de ambos mundos. Al introducir defectos aislados en un tipo de película delgada disponible comercialmente en un sencillo paso de post-procesamiento, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía (Department of Energy’s, DOE, por sus siglas en inglés) ha demostrado que un elemento común puede ser procesado en un sistema de almacenamiento de energía de alto rendimiento.
La investigación cuenta con el apoyo del Materials Project, una base de datos en línea de acceso abierto que prácticamente ofrece la mayor colección de propiedades de materiales a los científicos de todo el mundo. En la actualidad, Materials Project combina esfuerzos tanto computacionales como experimentales para, entre otros objetivos, acelerar el diseño de nuevos materiales funcionales. Esto incluye la comprensión de las formas de manipular los productos conocidos de manera que se mejore su rendimiento.
Los crecientes requerimientos para la reducción de costos y la miniaturización de los dispositivos han impulsado el desarrollo de condensadores de alta densidad de energía. Los condensadores se utilizan comúnmente en los dispositivos electrónicos para mantener el suministro de energía mientras se carga una batería. El nuevo material desarrollado en el Berkeley Lab podría combinar en última instancia la eficiencia, la fiabilidad y la robustez de los condensadores con las capacidades de almacenamiento de energía de las baterías de mayor escala. Las aplicaciones incluyen dispositivos electrónicos personales, tecnología de uso y sistemas de audio para automóviles.
El material se basa en el llamado «relaxor ferroelectric«, que es un material cerámico que experimenta una rápida respuesta mecánica o electrónica a un campo eléctrico externo y que se utiliza comúnmente como condensador en aplicaciones como los ultrasonidos, los sensores de presión y los generadores de voltaje.
El campo aplicado impulsa cambios en la orientación de los electrones del material. Al mismo tiempo, el campo produce un cambio en la energía almacenada en los materiales, lo que los convierte en un buen candidato para su uso más allá de un condensador de pequeña escala. El problema que hay que resolver es cómo optimizar el ferroeléctrico para que pueda ser cargado a altos voltajes y descargado muy rápidamente – miles de millones de veces o más – sin sufrir daños que lo hagan inadecuado para su uso a largo plazo en aplicaciones como computadoras y vehículos.
Los investigadores del laboratorio de Lane Martin, un científico de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales (Materials Sciences Division, MSD, por sus siglas en inglés) en el Laboratorio de Berkeley y profesor de ciencia e ingeniería de los materiales en la UC Berkeley, lograron esto introduciendo defectos locales que le permitieron soportar mayores voltajes.
«Probablemente haya experimentado estos ferroeléctricos relaxor en una barbacoa a gas. El botón que enciende la parrilla acciona un martillo con resorte que golpea un cristal piezoeléctrico, que es un tipo de ferroeléctricos relaxor, y crea un voltaje que enciende el gas», explicó Martin. «Hemos demostrado que también se pueden convertir en algunos de los mejores materiales para aplicaciones de almacenamiento de energía».
Figura 1. Lane Martin (izquierda) y Jieun Kim han demostrado que un material común se puede procesar en un material de almacenamiento de energía de alto rendimiento. (Fotos cortesía de Martin y Kim)
Colocar un material ferroeléctrico entre dos electrodos y aumentar el campo eléctrico hace que la carga se acumule. Durante la descarga, la cantidad de energía disponible depende de la fuerza con la que se orientan los electrones del material, o se polarizan, en respuesta al campo eléctrico. Sin embargo, la mayoría de estos materiales normalmente no pueden soportar un gran campo eléctrico antes de que el material falle. El desafío fundamental, por lo tanto, es encontrar una manera de aumentar el máximo campo eléctrico posible sin sacrificar la polarización.
Los investigadores recurrieron a un enfoque que habían desarrollado previamente para «apagar» la conductividad en un material. Bombardeando una fina película con partículas cargadas de alta energía conocidas como iones, fueron capaces de introducir defectos aislados. Los defectos atrapan los electrones del material, impidiendo su movimiento y disminuyendo la conductividad de la película en órdenes de magnitud.
«En los ferroeléctricos, que se supone que son aislantes, tener una carga que se filtra a través de ellos es un problema importante. Al bombardear las ferroeléctricas con haces de iones de alta energía, sabíamos que podíamos hacerlas mejores aislantes», dijo Jieun Kim, investigador doctoral en el grupo de Martin y autor principal del trabajo.
«Entonces nos preguntamos, ¿podríamos usar este mismo enfoque para hacer que un ferroeléctrico relaxor que resista a mayores voltajes y campos eléctricos antes de que falle catastróficamente?»
La respuesta resultó ser «sí». Kim fabricó primero películas delgadas de un ferroeléctrico prototípico llamado niobite-titanato de plomo y magnesio. Luego, apuntó las películas con iones de helio de alta energía en la instalación de análisis de haces de iones operada por la Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) Division en el Laboratorio de Berkeley. Los iones de helio golpearon los iones objetivo de sus sitios para crear defectos de punto.
Las mediciones mostraron que la película bombardeada con iones tenía más del doble de la densidad de almacenamiento de energía que los valores previamente reportados y un 50% más de eficiencia.
«Originalmente esperábamos que los efectos se debieran principalmente a la reducción de la fuga con defectos puntuales aislados. Sin embargo, nos dimos cuenta de que el cambio en la relación entre la polarización y el campo eléctrico debido a algunos de esos defectos era igualmente importante», dijo Martin.
«Este cambio significa que se necesitan voltajes aplicados cada vez mayores para crear el máximo cambio en la polarización».
El resultado sugiere que el bombardeo de iones puede ayudar a superar el compromiso entre ser altamente polarizable y fácilmente rompible.
El mismo método de haz de iones podría también mejorar otros materiales dieléctricos para aumentar el almacenamiento de energía, y proporciona a los investigadores una herramienta para reparar problemas en materiales ya sintetizados.
«Sería estupendo ver a la gente utilizar estos métodos de rayos de iones para ‘curar’ materiales en dispositivos después del hecho si su síntesis o proceso de producción no funcionara perfectamente», dijo Kim.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE y por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencia.
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