Le futur du stockage d’énergie : les nanofeuilles

Un groupe de recherche au Japon, en collaboration avec le NIMS, a développé un dispositif en nanofeuilles présentant la plus haute performance de stockage d’énergie jamais observée.

Les innovations en matière de technologie de stockage d’énergie sont essentielles pour l’utilisation efficace de l’énergie renouvelable et la production en masse de véhicules électriques. La technologie actuelle de stockage d’énergie, comme les batteries lithium-ion, présente des temps de charge longs et des problèmes, dont la dégradation de l’électrolyte, la durée de vie, et même l’allumage indésirable.

Une alternative prometteuse est les condensateurs de stockage d’énergie diélectrique. La structure de base du condensateur est un film de type sandwich composé de deux électrodes métalliques séparées par un film diélectrique solide.

Les diélectriques sont des matériaux qui stockent l’énergie par un mécanisme de déplacement de charge physique appelé polarisation.

Le rôle de la polarisation dans le stockage d’énergie

Lorsqu’un champ électrique est appliqué au condensateur, les charges positives sont attirées vers l’électrode négative. Les charges négatives sont attirées vers l’électrode positive. Ensuite, le stockage de l’énergie électrique dépend de la polarisation du film diélectrique par l’application d’un champ électrique externe.

“Les condensateurs diélectriques ont de nombreux avantages, tels qu’un temps de charge court de seulement quelques secondes, une longue durée de vie, et une haute densité de puissance,” a indiqué le Professeur Minoru Osada à l’Institut des matériaux et des systèmes pour le développement durable (IMaSS) de l’université de Nagoya au Japon. Cependant, la densité d’énergie des diélectriques actuels est nettement inférieure aux demandes croissantes d’énergie électrique.

L’utilisation de nanofeuilles pour améliorer la densité d’énergie

Pour aller au-delà de la recherche diélectrique conventionnelle, le groupe a utilisé des couches de nanofeuilles composées de calcium, de sodium, de niobium, et d’oxygène avec une structure cristalline de pérovskite.

“La structure de pérovskite est connue comme la meilleure structure pour les ferroélectriques, car elle a d’excellentes propriétés diélectriques telles qu’une haute polarisation,” a encore expliqué Osada.

“Nous avons constaté qu’en utilisant cette propriété, un champ électrique élevé pouvait être appliqué à des matériaux diélectriques à haute polarisation et converti en énergie électrostatique sans perte, atteignant la plus haute densité d’énergie jamais enregistrée.”

En synthèse

Les résultats du groupe de recherche ont confirmé que les condensateurs diélectriques en nanofeuilles atteignaient une densité d’énergie 1 à 2 ordres de grandeur plus élevée tout en maintenant la même haute densité de sortie. Le condensateur diélectrique à base de nanofeuilles a atteint une haute densité d’énergie qui a maintenu sa stabilité sur plusieurs cycles d’utilisation et était stable même à des températures élevées jusqu’à 300 °C.

Selon le professeur Osada, “Cette réalisation fournit de nouvelles directives de conception pour le développement de condensateurs diélectriques et devrait s’appliquer à tous les dispositifs de stockage d’énergie à l’état solide qui tirent parti des caractéristiques de la nanofeuille de haute densité d’énergie, de haute densité de puissance, de temps de charge aussi court que quelques secondes, de longue durée de vie, et de stabilité à haute température,”

Et d’ajouter, “Les condensateurs diélectriques possèdent la capacité de libérer l’énergie stockée en un temps extrêmement court et de créer une tension ou un courant pulsé intense. Ces caractéristiques sont utiles dans de nombreuses applications de décharge pulsée et d’électronique de puissance. En plus des véhicules électriques hybrides, ils seraient également utiles dans les accélérateurs de haute puissance et les dispositifs à micro-ondes de haute puissance.”

Principales caractéristiques à retenir

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le stockage d’énergie diélectrique ?

Le stockage d’énergie diélectrique fait référence à l’utilisation de condensateurs pour stocker l’énergie. Les condensateurs sont des dispositifs qui stockent l’énergie dans un champ électrique créé entre deux plaques métalliques séparées par un matériau diélectrique.

Quels sont les avantages des condensateurs diélectriques ?

Les condensateurs diélectriques ont de nombreux avantages, notamment un temps de charge court, une longue durée de vie, une haute densité de puissance et la capacité de libérer l’énergie stockée en un temps extrêmement court.

Qu’est-ce qu’une nanofeuille ?

Une nanofeuille est une structure de matériau qui a une épaisseur à l’échelle nanométrique. Dans ce contexte, les nanofeuilles sont composées de calcium, de sodium, de niobium et d’oxygène avec une structure cristalline de pérovskite.

Qu’est-ce que la structure de pérovskite ?

La structure de pérovskite est une structure cristalline particulière qui est connue pour ses excellentes propriétés diélectriques, notamment une haute polarisation. Cela la rend idéale pour les applications de stockage d’énergie.

Quels sont les avantages des condensateurs diélectriques à base de nanofeuilles ?

Les condensateurs diélectriques à base de nanofeuilles ont une densité d’énergie 1 à 2 ordres de grandeur plus élevée tout en maintenant la même haute densité de sortie. Ils sont également stables même à des températures élevées jusqu’à 300 °C.

Osada, M. et al. (2023). Ultrahigh Energy Storage in 2D High-κ Perovskites. Nano Letters.