Curve di isteresi che mostrano le proprietà elettriche dei materiali antiferroelettrici. Colori diversi rappresentano diverse composizioni di elementi di terre rare e i quattro grafici rappresentano diversi orientamenti del campo elettrico. Credito:Xu et al. Pubblicato in Comunicazioni sulla natura
(Phys.org)—Una delle maggiori sfide nella generazione di energia da fonti rinnovabili è trovare un modo per immagazzinare l'energia continuamente fluttuante prodotta. batterie, supercondensatori, e la maggior parte delle altre tecnologie di stoccaggio dell'energia in genere non è in grado di rispondere abbastanza rapidamente alle fluttuazioni secondo per secondo inerenti alle fonti di energia eolica e solare. Un dispositivo che ha una risposta sufficientemente rapida sono i condensatori elettrostatici, ma il loro svantaggio è la loro bassa densità di energia:semplicemente non possono immagazzinare molta energia in un dato volume.
Affrontando questo problema, ricercatori in un nuovo studio hanno dimostrato in simulazioni che i materiali antiferroelettrici a base di bismuto possono potenzialmente esibire densità di energia molto elevate (150 J/cm 3 ), rendendoli un materiale candidato promettente per i condensatori elettrostatici. I risultati indicano la possibilità di una soluzione ad alte prestazioni, dispositivo ecologico di accumulo di energia per fonti energetiche rinnovabili.
I ricercatori, Bin Xu e Laurent Bellaiche all'Università dell'Arkansas, e Jorge Íñiguez presso l'Istituto di scienza e tecnologia del Lussemburgo, hanno pubblicato un articolo sulla loro indagine sugli antiferroelettrici per lo stoccaggio di energia in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .
"Prevediamo che la ferrite di bismuto sostituita con terre rare è un sistema molto promettente per lo stoccaggio di energia ad alta potenza grazie alle sue elevate densità di energia e alle buone efficienze, così come la sua flessibilità di sintonizzazione, "Xu ha detto Phys.org . "Il modello che abbiamo sviluppato collega le proprietà di accumulo con le proprietà energetiche fondamentali, che potrebbe portare alla scoperta di nuovi materiali di stoccaggio basati su antiferroelettrici".
La caratteristica chiave dei materiali antiferroelettrici è che i loro dipoli elettrici adiacenti puntano in direzioni opposte, che si annullano e si traducono in una polarizzazione zero netta. Di conseguenza, i materiali diventano ferroelettrici sotto l'applicazione di un campo elettrico sufficientemente grande. Queste proprietà elettriche possono essere facilmente regolate controllando una varietà di parametri.
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno approfittato di questa sintonizzabilità per aumentare la densità energetica e l'efficienza di un particolare composto antiferroelettrico senza piombo (BiFeO sostituito con terre rare 3 ). Modificando l'orientamento del campo elettrico e la composizione delle terre rare, i ricercatori hanno previsto il potenziale per una densità energetica molto elevata e un'elevata efficienza. Si aspettano che la regolazione di altri parametri, come il ceppo o l'aggiunta di altri droganti di terre rare, può migliorare ulteriormente queste proprietà.
Le simulazioni hanno anche permesso ai ricercatori di sviluppare un modello per spiegare la connessione tra la densità di energia ei parametri sintonizzabili qui studiati. Questo modello dovrebbe anche fornire una guida per lo sviluppo di condensatori a base antiferroelettrica in futuro. I ricercatori sperano che questi risultati teorici motiveranno gli sforzi per dimostrare sperimentalmente materiali antiferroelettrici con elevate densità di energia.
"Con il modello, siamo interessati a valutare le proprietà di stoccaggio di antiferroelettrici noti e ipotetici tramite calcoli di principi primi ad alto rendimento, " ha detto Bellaiche. "I candidati promettenti saranno ulteriormente esaminati, in collaborazione con sperimentalisti e altri teorici."
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