I condensatori che immagazzinano e rilasciano rapidamente energia elettrica sono componenti chiave dell'elettronica moderna e dei sistemi di alimentazione. Però, quelli più comunemente usati hanno densità di energia basse rispetto ad altri sistemi di accumulo come batterie o celle a combustibile, che a sua volta non può scaricarsi e ricaricarsi rapidamente senza subire danni.

Ora, come riportato sulla rivista Scienza , i ricercatori hanno trovato il meglio di entrambi i mondi. Introducendo difetti isolati in un tipo di film sottile disponibile in commercio in una semplice fase di post-elaborazione, un team guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia (DOE) ha dimostrato che un materiale comune può essere trasformato in un materiale di accumulo di energia dalle prestazioni elevate.

La ricerca è supportata dal Progetto Materiali, un database online ad accesso aperto che fornisce virtualmente la più grande raccolta di proprietà dei materiali agli scienziati di tutto il mondo. Oggi, il Materials Project combina sforzi sia computazionali che sperimentali per, tra gli altri obiettivi, accelerare la progettazione di nuovi materiali funzionali. Ciò include la comprensione di modi per manipolare materiali noti in modo da migliorarne le prestazioni.

I crescenti requisiti per la riduzione dei costi e la miniaturizzazione dei dispositivi hanno spinto verso lo sviluppo di condensatori ad alta densità di energia. I condensatori sono comunemente usati nei dispositivi elettronici per mantenere l'alimentazione mentre una batteria viene caricata. Il nuovo materiale sviluppato al Berkeley Lab potrebbe in definitiva combinare l'efficienza, affidabilità, e la robustezza dei condensatori con le capacità di accumulo di energia delle batterie su larga scala. Le applicazioni includono dispositivi elettronici personali, tecnologia indossabile, e sistemi audio per auto.

Il materiale si basa su un cosiddetto "relaxor ferroelettrico, " che è un materiale ceramico che subisce una rapida risposta meccanica o elettronica a un campo elettrico esterno ed è comunemente usato come condensatore in applicazioni come gli ultrasuoni, sensori di pressione, e generatori di tensione.

Il campo applicato guida i cambiamenti nell'orientamento degli elettroni nel materiale. Allo stesso tempo, il campo determina un cambiamento nell'energia immagazzinata nei materiali, rendendoli un buon candidato per l'uso al di là di un condensatore su piccola scala. Il problema da risolvere è come ottimizzare il ferroelettrico in modo che possa essere caricato ad alte tensioni e scaricato molto rapidamente, miliardi di volte o più, senza subire danni che lo renderebbero inadatto all'uso a lungo termine in applicazioni come computer e veicoli .

Ricercatori nel laboratorio di Lane Martin, uno scienziato della facoltà nella Divisione di scienze dei materiali (MSD) presso il Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della California, Berkeley, ha ottenuto ciò introducendo difetti locali che gli hanno permesso di resistere a tensioni maggiori.

"Probabilmente hai sperimentato ferroelettrici rilassanti su una griglia a gas. Il pulsante che accende la griglia aziona un martello a molla che colpisce un cristallo piezoelettrico, che è un tipo di relaxor, e crea una tensione che accende il gas, " ha spiegato Martin. "Abbiamo dimostrato che possono anche essere trasformati in alcuni dei migliori materiali anche per applicazioni di accumulo di energia".

Il posizionamento di un materiale ferroelettrico tra due elettrodi e l'aumento del campo elettrico provoca l'accumulo di carica. Durante la dimissione, la quantità di energia disponibile dipende da quanto fortemente si orientano gli elettroni del materiale, o diventare polarizzato, in risposta al campo elettrico. Però, la maggior parte di questi materiali in genere non può sopportare un grande campo elettrico prima che il materiale si rompa. La sfida fondamentale, perciò, consiste nel trovare un modo per aumentare il massimo campo elettrico possibile senza sacrificare la polarizzazione.

I ricercatori si sono rivolti a un approccio che avevano precedentemente sviluppato per "disattivare" la conduttività in un materiale. Bombardando un film sottile con particelle cariche ad alta energia note come ioni, sono stati in grado di introdurre difetti isolati. I difetti intrappolano gli elettroni del materiale, impedendo il loro movimento e diminuendo la conduttività del film di ordini di grandezza.

"Nei ferroelettrici, che dovrebbero essere isolanti, avere una carica che fuoriesce da loro è un grosso problema. Bombardando materiali ferroelettrici con fasci di ioni ad alta energia, sapevamo di poterli rendere isolanti migliori, " ha detto Jieun Kim, un ricercatore di dottorato nel gruppo di Martin e autore principale della carta. "Abbiamo poi chiesto, potremmo usare questo stesso approccio per fare in modo che un ferroelettrico relaxor resista a tensioni e campi elettrici più grandi prima che si guasti catastroficamente?"

La risposta si è rivelata "sì". Kim ha prima fabbricato film sottili di un ferroelettrico relaxor prototipo chiamato piombo magnesio niobite-titanato di piombo. Quindi, ha preso di mira i film con ioni di elio ad alta energia presso lo Ion-Beam Analysis Facility gestito dalla divisione Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) del Berkeley Lab. Gli ioni di elio hanno espulso gli ioni bersaglio dai loro siti per creare difetti puntuali. Le misurazioni hanno mostrato che il film bombardato di ioni aveva più del doppio della densità di accumulo di energia rispetto ai valori precedentemente riportati e un'efficienza superiore del 50 percento.

"Inizialmente ci aspettavamo che gli effetti derivassero principalmente dalla riduzione delle perdite con difetti puntuali isolati. Tuttavia, ci siamo resi conto che lo spostamento nella relazione polarizzazione-campo elettrico dovuto ad alcuni di quei difetti era altrettanto importante, " ha detto Martin. "Questo cambiamento significa che sono necessarie tensioni applicate sempre più grandi per creare il massimo cambiamento nella polarizzazione." Il risultato suggerisce che il bombardamento ionico può aiutare a superare il compromesso tra l'essere altamente polarizzabile e facilmente frangibile.

Lo stesso approccio del fascio di ioni potrebbe anche migliorare altri materiali dielettrici per migliorare lo stoccaggio di energia, e fornisce ai ricercatori uno strumento per riparare i problemi nei materiali già sintetizzati. "Sarebbe bello vedere la gente usare questi approcci a raggio ionico per "guarire" i materiali nei dispositivi dopo che il loro processo di sintesi o produzione non è andato perfettamente, " ha detto Kim.