Curvas de histéresis que muestran las propiedades eléctricas de los materiales antiferroeléctricos. Los diferentes colores representan diferentes composiciones de elementos de tierras raras y los cuatro gráficos representan diferentes orientaciones de campo eléctrico. Crédito:Xu et al. Publicado en Comunicaciones de la naturaleza
(Phys.org) —Uno de los mayores desafíos en la generación de energía a partir de fuentes renovables es encontrar una manera de almacenar la energía que fluctúa continuamente que se produce. Baterías supercondensadores, y la mayoría de las otras tecnologías de almacenamiento de energía normalmente no pueden responder con la suficiente rapidez a las fluctuaciones segundo a segundo inherentes a las fuentes de energía eólica y solar. Un dispositivo que tiene una respuesta suficientemente rápida son los condensadores electrostáticos, pero su inconveniente es su baja densidad de energía:simplemente no pueden almacenar mucha energía en un volumen dado.
Abordar este problema, Los investigadores en un nuevo estudio han demostrado en simulaciones que los materiales antiferroeléctricos basados en bismuto pueden exhibir potencialmente densidades de energía muy altas (150 J / cm 3 ), convirtiéndolos en un material candidato prometedor para condensadores electrostáticos. Los resultados apuntan a la posibilidad de un alto rendimiento, Dispositivo de almacenamiento de energía ecológico para fuentes de energía renovables.
Los investigadores, Bin Xu y Laurent Bellaiche en la Universidad de Arkansas, y Jorge Íñiguez en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo, han publicado un artículo sobre su investigación de antiferroeléctricos para el almacenamiento de energía en una edición reciente de Comunicaciones de la naturaleza .
"Predecimos que la ferrita de bismuto sustituida con tierras raras es un sistema muy prometedor para el almacenamiento de energía de alta potencia debido a sus altas densidades de energía y buenas eficiencias, así como sus flexibilidades de ajuste, "Xu dijo Phys.org . "El modelo que desarrollamos conecta las propiedades de almacenamiento con propiedades energéticas fundamentales, lo que puede conducir al descubrimiento de nuevos materiales de almacenamiento basados en antiferroeléctricos ".
La característica clave de los materiales antiferroeléctricos es que sus dipolos eléctricos adyacentes apuntan en direcciones opuestas, que se cancelan y dan como resultado una polarización cero neta. Como resultado, los materiales se vuelven ferroeléctricos bajo la aplicación de un campo eléctrico suficientemente grande. Estas propiedades eléctricas se pueden ajustar fácilmente controlando una variedad de parámetros.
En el nuevo estudio, los científicos aprovecharon esta capacidad de sintonización para aumentar la densidad energética y la eficiencia de un compuesto antiferroeléctrico sin plomo en particular (BiFeO sustituido con tierras raras 3 ). Al cambiar la orientación del campo eléctrico y la composición de tierras raras, los investigadores predijeron el potencial de una densidad de energía muy alta y una alta eficiencia. Esperan que sintonizando otros parámetros, como la cepa o la adición de otros dopantes de tierras raras, puede mejorar estas propiedades aún más.
Las simulaciones también permitieron a los investigadores desarrollar un modelo para explicar la conexión entre la densidad de energía y los parámetros ajustables investigados aquí. Este modelo también debería proporcionar una guía para el desarrollo de condensadores basados en antiferroeléctricos en el futuro. Los investigadores esperan que estos resultados teóricos motiven los esfuerzos para demostrar experimentalmente materiales antiferroeléctricos con altas densidades de energía.
"Con el modelo, estamos interesados en evaluar las propiedades de almacenamiento de antiferroeléctricos hipotéticos y conocidos mediante cálculos de primeros principios de alto rendimiento, "Bellaiche dijo." Los candidatos prometedores serán examinados más a fondo, en colaboración con experimentalistas y otros teóricos ".
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