Nuove ceramiche a strato sottile per un migliore accumulo di energia
Vi è una crescente necessità di materiali di accumulo dell'energia ad alta densità. Sistemi compatti, efficaci in termini di costi e rispettosi dell'ambiente consentiranno un migliore sfruttamento dell'energia rinnovabile in veicoli elettrici ibridi, dispositivi elettronici medici mobili e generatori ausiliari. I condensatori accumulano energia immagazzinando fisicamente la carica elettrica senza sostanze chimiche tossiche, con vite lunghe ed eccellenti proprietà elettriche. Essi sono forse la soluzione più promettente per uno stoccaggio di energia elettrica efficiente ed ecologico e sono stati il soggetto del progetto "High density energy storage materials" (HIDSOM), finanziato dall'UE. L'obbiettivo era lo sviluppo di nuovi materiali idonei all'uso in condensatori ceramici multi strato avanzati. Il team si è concentrato su tre materiali ceramici capacitivi e tecniche per aumentare la loro densità energetica. La struttura del bordo di grano (grain boundary - GB) prodotto dalla sinterizzazione di polveri ceramiche gioca un ruolo fondamentale nella porosità e quindi nella densità del materiale risultante. L'aggiunta di vetro sodico calcico od ossido di zinco a una ceramica ben conosciuta ((Ba1-xSrx)TiO3) ha aumentato densificazione, forza di GB e campo di breakdown, riducendo allo stesso tempo la temperatura di sinterizzazione a scintille e plasma (SPS) necessaria. Il doping con lantanio di un'altra ceramica (Pb(ZrxSnyTi1-x-y)O3) ha reso possibile una struttura a grana fine priva di pori e uniforme con parametri SPS ottimizzati. Gli scienziati hanno anche studiato un membro di una nuova classe di materiali chiamati ferroelettrici di tipo relaxor (il materiale solido Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-BaTiO3). Si prevede che esso mostri notevoli comportamenti nella transizione di fase e risposte dielettriche che favoriscono l'accumulo di energia ad alta densità. I ricercatori hanno anche sviluppato un modello microstrutturale, un condensatore a strato di bordo inverso (RBLC). Questo sviluppo RBLC è delineato in un articolo pubblicato nel Journal of Applied Physics. Nel RBLC, il GB ha una conduttività elettrica superiore rispetto al grano a causa dell'introduzione di additivi di vetro, aumentando così la quantità massima di energia che può essere immagazzinata. La simulazione ha convalidato i miglioramenti nella densità energetica del RBLC in confronto ai normali compositi isolanti in fase vetrosa. HIDSOM ha dimostrato le migliori prestazioni di nuovi materiali ceramici e i metodi di lavorazione per condensatori ceramici multi strato. Vista la pressante necessità di dispositivi avanzati per l'accumulo di energia allo scopo di accelerare lo sviluppo e l'adozione di fonti energetiche rinnovabili, HIDSOM ha dato un importante contributo al futuro delle applicazioni, che comprendono veicoli elettrici ibridi e dispositivi elettronici medici mobili.
