Un nuevo enfoque para la ingeniería de materiales promete superar la limitación de condensadores comúnmente utilizados en teléfonos inteligentes, pantallas y vehículos eléctricos, según un estudio publicado en Nature.
Diferentes enfoques para almacenar energía en los circuitos eléctricos tienen sus compensaciones: las baterías de iones de litio pueden almacenar mucha energía, pero entregarla lentamente, mientras que los condensadores pueden entregar energía rápidamente pero no pueden almacenar mucho, más o menos.
Para tratar de cuadrar este círculo un equipo de Materials Science Boffins en los Institutos de Ciencias Físicas de Hefilia de China, Tsinghua Uni, y el Laboratorio Nacional de Ciencias de los Materiales de Shenyang, desarrollaron un material compuesto que logró tres veces la densidad de energía de los condensadores cerámicos comparables.
Los condensadores de cerámica multicapa (MLCC), utilizados para muchas aplicaciones electrónicas, como teléfonos inteligentes, pantallas y vehículos eléctricos, consisten en pilas verticales de condensadores conectados en paralelo. El fabricante más grande del mundo de MLCCS es Murata Manufacturing, con sede en Japón, que suministra Apple, HP e Intel.
El equipo realizó cambios en un grupo de material llamado antiferroeléctrico, utilizado en condensadores, en los que las capas de pares de cargas positivas y negativas están alineadas en una dirección alternativa con capas en las que tales dipolos se alinean en la dirección opuesta. Los investigadores prepararon materiales que interrumpen deliberadamente este patrón al incluir áreas de dieléctricos, materiales con alta resistencia utilizadas en condensadores, que no exhiben este tipo de comportamiento dipolo.
«En general, los condensadores realizados con este material compuesto tenían una mayor eficiencia de carga -descarga y resistencia a la descomposición que los dispositivos fabricados con el circonato de plomo no convengado (un material comúnmente utilizado en los condensadores)», dijeron Piush Behera y Suraj Cheema de MIT en un acompañante artículo.
El resultado fue un aumento en el número de ciclos de carga -descarga que ocurren antes de la descomposición. La densidad de energía máxima también se mejoró en comparación con el circonato de plomo sin ingeniería.
Si bien existe otra alternativa para los condensadores de alto rendimiento que involucran capas de película delgada, no son adecuadas para una gama tan amplia de aplicaciones como MLCC.
Behera y Cheema sugieren que la combinación de «estructuras similares a MLCC que integran capas de película delgada» podría dar como resultado una alta densidad de energía, mientras que estos «dispositivos similares a MLCC» que incorporan el material de ingeniería de los Boffins «podrían ser prometedores».
Con más desarrollo, la técnica también podría beneficiar a los condensadores en chip, sugieren los autores.
«A medida que las aplicaciones de condensadores en chip continúan avanzando, los materiales antiferroeléctricos de alto rendimiento modulados por frustración pueden ser candidatos prometedores para condensadores multicapa, a gran escala y tridimensional», dijo el estudio. ®
