Recentemente, a revista Science publicou um artigo de autores da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis, dedicado ao estudo de estruturas heterogêneas de película fina para capacitores. Trabalhando com ferroelétricos, os cientistas criaram acidentalmente um capacitor com densidade de energia 19 vezes maior que a dos elementos convencionais. Na verdade, eles desenvolveram uma bateria com fantásticas capacidades de carregamento rápido, algo que falta às baterias modernas.
Fonte da imagem: Sang-Hoon Bae
Não é nenhum segredo que os capacitores são os elementos mais importantes dos subsistemas de alimentação e estabilização de circuitos. Os smartphones modernos podem ter até 500 capacitores e os laptops – até 800 ou mais (colocaremos condicionalmente os circuitos oscilatórios entre colchetes neste artigo, estamos falando apenas sobre fonte de alimentação). Em todos os casos, os capacitores atuam como elementos que podem descarregar e carregar rapidamente, o que não se pode dizer das baterias. Mas as baterias têm a maior densidade de armazenamento de energia. Os cientistas há muito tentam encontrar um meio-termo – uma bateria de alta densidade com a capacidade de carregar e descarregar rapidamente, mas ao mesmo tempo permanecer intacta e capaz de muitos ciclos de carga. Parece que os cientistas dos EUA estão mais próximos da descoberta dessa bateria.
Um experimento com heteroestruturas baseadas em titanato de bário (BaTiO3) – uma espécie de perovskita – descobriu uma “nova física”, como dizem os cientistas. Em geral, os pesquisadores conseguiram controlar o tempo de descarga (relaxamento) do capacitor ferroelétrico. Esta possibilidade surgiu acidentalmente ao estudar a combinação de materiais 2D e 3D em uma combinação sanduíche 2D/3D/2D2 ou Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au. Um núcleo de titanato de bário cercado por duas camadas atomicamente finas cria uma camada de apenas 30 nm de espessura, ou 1/10 da espessura de um vírus normal. Ligações químicas e não químicas selecionadas com precisão, bem como as lacunas entre as camadas, tornaram-se a chave que nos permitiu obter controle sobre o tempo de descarga da bateria do capacitor.
Ao manter a cristalinidade do ferroelétrico 3D e minimizar as perdas de energia, os cientistas conseguiram atingir uma densidade de armazenamento de energia nesta estrutura heterogênea multicamadas de 191,7 J/cm3 com uma eficiência de mais de 90%. O controle preciso do tempo de descarga abre perspectivas para uma ampla gama de aplicações e poderia potencialmente acelerar o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia altamente eficientes.
«“Criamos uma nova estrutura baseada em inovações que já havíamos implementado em nosso laboratório usando materiais 2D”, disse o autor principal, Sang-Hoon Bae. “Inicialmente não estávamos focados no armazenamento de energia, mas durante a nossa investigação sobre as propriedades dos materiais descobrimos um novo fenómeno físico que percebemos que poderia ser aplicado ao armazenamento de energia e que era ao mesmo tempo muito interessante e potencialmente muito mais útil.”
«Descobrimos que o tempo de relaxamento do dielétrico pode ser controlado ou induzido por uma lacuna muito pequena na estrutura do material”, explicou Bay. “Este é um novo fenômeno físico – algo que não encontramos antes.” Isso nos permite manipular o material dielétrico de forma que ele não polarize e perca sua capacidade de carga.”
Os cientistas não escondem que haverá uma longa otimização do material pela frente, mas mesmo no estágio atual, o desenvolvimento supera as conquistas de outros laboratórios. Portanto, os pesquisadores veem uma grande promessa no novo “material eletrônico”, como chamaram a solução.