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El nuevo material que revoluciona el almacenamiento de energía

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El nuevo material presenta una densidad de energía hasta 19 veces superior a la de los condensadores disponibles en el mercado, al tiempo que alcanza una eficiencia superior al 90%.
 
 
Científicos de la Universidad de Washington en St. Louis han desarrollado un nuevo material que potencia la innovación en el almacenamiento de energía electrostática. El material está construido a partir de heteroestructuras artificiales hechas de membranas 2D y 3D independientes que tienen una densidad de energía hasta 19 veces mayor que los condensadores disponibles en el mercado.
 
Los condensadores electrostáticos juegan un papel crucial en la electrónica moderna. Permiten la carga y descarga ultrarrápidas, proporcionando almacenamiento de energía y energía para dispositivos que van desde teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y enrutadores hasta dispositivos médicos, electrónica automotriz y equipos industriales. Sin embargo, los materiales ferroeléctricos utilizados en los condensadores tienen una pérdida de energía significativa debido a sus propiedades materiales, lo que dificulta proporcionar una alta capacidad de almacenamiento de energía.
 
En un estudio publicado en Science, Sang-Hoon Bae, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha abordado este desafío de larga data en el despliegue de materiales ferroeléctricos para aplicaciones de almacenamiento de energía.
 
Bae y sus colaboradores, entre los que se encuentran Rohan Mishra, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, y Chuan Wang, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas, ambos en WashU, y Frances Ross, profesora TDK de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT, introdujeron un enfoque para controlar el tiempo de relajación -una propiedad interna del material que describe el tiempo que tarda la carga en disiparse o desintegrarse- de los condensadores ferroeléctricos utilizando materiales 2D.
 
 
Trabajando con Bae, el estudiante de doctorado Justin S. Kim y el investigador postdoctoral Sangmoon Han desarrollaron nuevas heteroestructuras 2D/3D/2D que pueden minimizar la pérdida de energía al tiempo que preservan las propiedades ventajosas de los materiales ferroeléctricos 3D. Su enfoque intercala inteligentemente materiales 2D y 3D en capas atómicamente delgadas con enlaces químicos y no químicos cuidadosamente diseñados entre cada capa. Se inserta un núcleo 3D muy delgado entre dos capas 2D externas para crear una pila de solo unos 30 nanómetros de grosor. Eso es aproximadamente una décima parte del tamaño de una partícula de virus promedio.
 
"Creamos una nueva estructura basada en las innovaciones que ya hemos hecho en mi laboratorio con materiales 2D", dijo Bae. "Inicialmente, no nos centramos en el almacenamiento de energía, pero durante nuestra exploración de las propiedades de los materiales, encontramos un nuevo fenómeno físico que nos dimos cuenta de que podría aplicarse al almacenamiento de energía, y que era muy interesante y potencialmente mucho más útil".
 
Las heteroestructuras 2D/3D/2D están finamente diseñadas para situarse en el punto óptimo entre la conductividad y la no conductividad, donde los materiales semiconductores tienen propiedades eléctricas óptimas para el almacenamiento de energía. Con este diseño, Bae y sus colaboradores informaron de una densidad de energía hasta 19 veces superior a la de los condensadores ferroeléctricos disponibles en el mercado, y lograron una eficiencia superior al 90%, que tampoco tiene precedentes.
 
Bae explicó: "Descubrimos que el tiempo de relajación dieléctrica puede ser modulado o inducido por un espacio muy pequeño en la estructura del material. Ese nuevo fenómeno físico es algo que no habíamos visto antes. Nos permite manipular el material dieléctrico de tal manera que no se polariza y pierde capacidad de carga".
A medida que el mundo se enfrenta al imperativo de la transición hacia componentes electrónicos de próxima generación, el novedoso material heteroestructural de Bae allana el camino para dispositivos electrónicos de alto rendimiento, que abarcan electrónica de alta potencia, sistemas de comunicación inalámbrica de alta frecuencia y chips de circuitos integrados. Estos avances son particularmente cruciales en sectores que requieren soluciones sólidas de gestión de energía, como los vehículos eléctricos y el desarrollo de infraestructura.
 
"Fundamentalmente, esta estructura que hemos desarrollado es un material electrónico novedoso", dijo Bae. "Todavía no estamos al 100% óptimos, pero ya estamos superando lo que están haciendo otros laboratorios. Nuestros próximos pasos serán mejorar aún más esta estructura material, para que podamos satisfacer la necesidad de carga y descarga ultrarrápida y densidades de energía muy altas en los condensadores. Debemos ser capaces de hacerlo sin perder capacidad de almacenamiento por cargas repetidas para que este material se utilice ampliamente en grandes productos electrónicos, como los vehículos eléctricos, y otras tecnologías ecológicas en desarrollo".
 
Esta tecnología se ve muy bien y Bae infunde mucha confianza con sus comentarios prospectivos. 100% óptimo es una excelente manera de conducir a una mejora tecnológica importante. La idea de que la electrónica de los dispositivos de uno utiliza una electrónica 100% óptima es algo muy tranquilizador. Hasta ahora, rara vez sabemos qué mata nuestros dispositivos, pero los condensadores, las resistencias y los diodos, aunque son bastante buenos, están lejos de ser a prueba de fallas y, esencialmente, ningún artículo de consumo tiene sistemas de respaldo diseñados. Sí, esas piezas de 10 centavos pueden arruinar un artículo de varios cientos de dólares.
 
 
Así que, ¡¡vamos profesor Bae!! Que ese 100% óptimo que señalaste se convierta en un nuevo estándar para muchos productos y las piezas utilizadas para fabricarlos.
 
Por Brian Westenhaus vía New Energy and Fuel