Dans un monde de plus en plus dépendant des sources d’énergie renouvelables et de la production en masse de véhicules électriques, la nécessité de développer des technologies de stockage d’énergie innovantes est devenue cruciale.
Un groupe de recherche Japonais*, en collaboration avec le NIMS, a fait un pas significatif dans cette direction. L’équipe a mis au point un dispositif de stockage d’énergie à base de nanofeuilles offrant une performance énergétique sans précédent, surpassant largement les technologies actuelles comme les batteries lithium-ion, qui ont leurs propres limites.
Le défi de l’innovation dans le stockage de l’énergie
Les innovations en matière de stockage d’énergie sont essentielles pour une utilisation efficace de l’énergie renouvelable. La technologie de stockage d’énergie actuelle, comme les batteries lithium-ion, présente des défis tels que des temps de charge longs et des problèmes variés, y compris la dégradation de l’électrolyte, la durée de vie limitée et même des risques d’ignition inopinée.
Une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion pourrait résider dans les condensateurs de stockage d’énergie diélectriques. Leur structure fondamentale est semblable à un sandwich, composé de deux électrodes métalliques séparées par un film diélectrique solide.
Les diélectriques sont des matériaux qui stockent de l’énergie grâce à un mécanisme de déplacement de charge physique appelé polarisation. Lorsqu’un champ électrique est appliqué au condensateur, les charges positives sont attirées vers l’électrode négative, et inversement.
Le potentiel des condensateurs diélectriques
“Les condensateurs diélectriques présentent de nombreux avantages, tels qu’un temps de charge très court de seulement quelques secondes, une longue durée de vie et une densité de puissance élevée“, déclare le Professeur Osada.
Cependant, la densité d’énergie des diélectriques actuels est nettement insuffisante pour répondre à la demande croissante d’énergie électrique. Une densité d’énergie accrue pourrait permettre aux condensateurs diélectriques de rivaliser avec d’autres dispositifs de stockage d’énergie.
Comme l’énergie stockée dans un condensateur diélectrique est liée à la quantité de polarisation, la clé pour atteindre une haute densité d’énergie est d’appliquer un champ électrique aussi élevé que possible à un matériau à haute constante diélectrique. Cependant, les matériaux existants sont limités par la quantité de champ électrique qu’ils peuvent supporter.
La découverte de nanofeuilles révolutionnaires
Pour dépasser les limites de la recherche diélectrique traditionnelle, le groupe a utilisé des couches de nanofeuilles constituées de calcium, de sodium, de niobium et d’oxygène avec une structure cristalline de type pérovskite.
“La structure pérovskite est connue comme la meilleure structure pour les ferroélectriques, car elle présente d’excellentes propriétés diélectriques comme une haute polarisation“, explique le Pr. Osada. Nous avons découvert 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 ainsi la plus haute densité d’énergie jamais enregistrée.”
Des performances de stockage d’énergie sans précédent
Les résultats obtenus par le groupe de recherche ont confirmé que les condensateurs diélectriques à base de nanofeuilles atteignaient une densité d’énergie 1 à 2 ordres de grandeur plus élevée tout en maintenant une densité de sortie élevée.
De manière impressionnante, 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 qui était stable même à des températures élevées allant jusqu’à 300°C.
En synthèse
Cet exploit offre de nouvelles orientations pour le développement de condensateurs diélectriques et pourrait s’appliquer à tous les dispositifs de stockage d’énergie entièrement solides qui tirent parti des caractéristiques des nanofeuilles, comme la haute densité d’énergie, la haute densité de puissance, le temps de charge court, la longue durée de vie et la stabilité à haute température.
Les condensateurs diélectriques ont 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 à décharge pulsée et électroniques de puissance. En plus des véhicules hybrides électriques, ils pourraient également être utiles dans les accélérateurs de haute puissance et les dispositifs à micro-ondes de haute puissance.
* dirigé par le Professeur Minoru Osada de l’Institut des Matériaux et Systèmes pour la Durabilité (IMaSS) de l’Université de Nagoya
Légende illustration principale : Stockage d’énergie à très haut niveau dans les pérovskites 2D à haute teneur en dioxyde de carbone ; Minoru Osada, Université de Nagoya
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un condensateur diélectrique ?
Un condensateur diélectrique est un type de condensateur qui utilise un matériau diélectrique pour stocker de l’énergie. Le matériau diélectrique est disposé entre deux plaques conductrices. Lorsqu’une tension est appliquée, le matériau diélectrique stocke l’énergie sous forme de champ électrique.
Quels sont les avantages des condensateurs diélectriques ?
Les condensateurs diélectriques offrent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium-ion. Ils ont un temps de charge très court, une longue durée de vie, une haute densité de puissance et ils sont capables de libérer l’énergie stockée en un temps très court. De plus, ils présentent moins de problèmes de dégradation et de risque d’ignition.
Qu’est-ce qu’une nanofeuille ?
Une nanofeuille est une structure qui a une épaisseur à l’échelle nanométrique. Elle est utilisée dans divers domaines de la technologie et de la science des matériaux en raison de ses propriétés uniques.
Quels sont les avantages des nanofeuilles dans le stockage d’énergie ?
Les nanofeuilles, en raison de leurs propriétés uniques, peuvent offrir une haute densité d’énergie, une haute densité de puissance, un temps de charge court, une longue durée de vie et une stabilité à haute température. Elles pourraient donc révolutionner le stockage d’énergie.
Quels sont les domaines d’application potentiels ?
Les condensateurs diélectriques à base de nanofeuilles pourraient trouver des applications dans divers domaines, y compris les véhicules hybrides électriques, les accélérateurs de haute puissance et les dispositifs à micro-ondes de haute puissance.
Quels sont les défis liés à l’application des condensateurs diélectriques ?
Bien que prometteurs, les condensateurs diélectriques à base de nanofeuilles doivent encore faire face à des défis tels que la mise à l’épreuve de ces technologies dans des conditions du monde réel, la résolution des problèmes potentiels liés à la fabrication à grande échelle et l’intégration dans les systèmes existants.
[ Rédaction ]
Lien principal : dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00079
