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Innovativi materiali dielettrici per l’accumulo di energia

I materiali dielettrici con un’elevata densità energetica sono ideali per l’accumulo di energia per i veicoli ibridi e i dispositivi medici elettronici portatili grazie alle loro piccole dimensioni, al peso ridotto e all’eccellente efficienza di carica/scarica. Scienziati finanziati dall’UE hanno sintetizzato dei nuovi materiali ad alta densità energetica da usare in applicazioni ad alta energia.
Innovativi materiali dielettrici per l’accumulo di energia
I condensatori accumulano l’energia elettrica mediante la polarizzazione di materiali dielettrici in presenza di un campo elettrico esterno. I materiali dielettrici con polarizzazione ad alta saturazione, scarsa polarizzazione residua e un’elevata rottura elettrica possono accumulare una grande quantità di energia elettrica e sono quindi dei candidati promettenti per le applicazioni per l’accumulo di energia. Nel progetto HIDSOM (High density energy storage materials), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno studiato quattro tipi di materiali che mostrano un potenziale per i sistemi a energia pulsata: antiferroelettrici, vetroceramici, ferroelettrici di tipo relaxor e ferroelettrici basati su polimeri.

Per migliorare le prestazioni dei vari sistemi materiali sono state impiegate differenti tecniche, quali ad esempio l’aggiunta di vetro, il drogaggio chimico, la sinterizzazione a scintille e plasma (spark plasma sintering, SPS) e la sinterizzazione con pressa a caldo.

Il team ha aggiunto vetro sodico calcico e ossido di zinco per aumentare l’addensamento e la forza del bordo di grano dei materiali ceramici BST. Anche la porosità dei materiali ceramici è stata notevolmente ridotta, portando a strutture con elevata permettività, elevato campo di rottura e bordi di grano migliorati.

I materiali ceramici antiferroelettrici con un elevato campo di commutazione consentono un maggiore accumulo di energia nelle applicazioni a energia pulsata. Sono state studiate diverse composizioni con drogaggio al lantanio di un materiale ceramico a base di perovskite (PZST). Usando la SPS per il processo di modellatura, il team ha ottenuto delle strutture ceramiche senza pori e uniformi con piccole dimensioni del grano.

Lo studio del progetto ha inoltre mostrato il potenziale del AgNbO3 quale promettente composto ceramico privo di piombo per le applicazioni per lo stoccaggio energetico. Gli scienziati hanno riferito di un doppio anello di isteresi in una delle fasi del materiale, che è una caratteristica tipica dei materiali antiferroelettrici.

Il comportamento stabile e simile al relaxor dei materiali ceramici 0.88BT-0.12BMT in un’ampia gamma di temperature di funzionamento ne suggerisce il possibile utilizzo nei condensatori.

Le pellicole dielettriche tendono a mostrare una rigidità dielettrica più grande rispetto a campioni più spessi dello stesso materiale. Delle sottili pellicole dielettriche indipendenti aumenteranno quindi l’accumulo di energia, rendendo i veicoli ibridi più efficienti e affidabili.

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Keywords

Materiali dielettrici, accumulo energia, veicoli ibridi, condensatori, HIDSOM