La serendipia es un pilar de la ciencia al que se le da escaso reconocimiento. La penicilina, los rayos X o el microondas fueron descubiertos por accidente. Ahora, un equipo de científicos ha diseñado, sin que esa fuera su intención, un condensador con una densidad de energía 19 veces mayor que la de los actuales.
Un poco de contexto. A diferencia de las baterías, que tardan en cargarse y descargarse, los condensadores pueden almacenar electricidad en un campo eléctrico y descargarla rápidamente. Los dispositivos electrónicos modernos llevan cientos de condensadores.
En sistemas de alto rendimiento, como los coches eléctricos, hacen falta condensadores capaces de cargar y descargar electricidad a velocidades ultrarrápidas. Los materiales ferroeléctricos tienen esta ventaja, pero su densidad de energía, la cantidad de electricidad que pueden almacenar, es demasiado baja para esos sistemas de alta potencia.
Un hallazgo accidental. El titanato de bario es uno de los materiales ferroeléctricos más estudiados. No permite almacenar mucha energía porque su estructura cristalina tiende a deteriorarse con el calor.
Inspirados por estudios anteriores, investigadores coreanos afiliados a la Universidad de Washington y el MIT diseñaron una 'heteroestructura' de titanato de bario intercalado en capas de un semiconductor muy delgado.
Sin buscarlo, descubrieron que la electricidad se acumulaba en los puntos de contacto de los distintos materiales, incrementando el tiempo que tardaba la estructura en volver a su estado inicial.
Tras probar varias opciones, los investigadores acabaron creando una estructura con dos capas de disulfuro de molibdeno y una de titanato de bario que puede almacenar mucha energía con pocas pérdidas.
Un sándwich diminuto. El estudio, publicado en la revista Science, explica que se puede aumentar el tiempo de relajación de los condensadores con una heteroestructura 2D/3D/2D en la que el material ferroeléctrico queda atrapado como un sándwich por las dos capas del material plano.
Ambos materiales están dispuestos en el sándwich de escala atómica de manera que se entrelazan con enlaces químicos y no químicos, formando una estructura de 30 nanómetros de espesor (30.000 veces más fina que un pelo).
Este enfoque de equilibrio físico y químico entre conductividad y no conductividad no solo minimiza la pérdida de energía, que era el problema principal de los condensadores basados en materiales dieléctricos, sino que preserva la estructura cristalina del componente ferroeléctrico.
Por qué es importante. Con este método, los investigadores lograron crear una estructura capaz de almacenar 191,7 julios de energía por cada centímetro cúbico, de la que puede usarse más del 90%.
Según sus inventores, la nueva estructura tiene una densidad de energía 19 veces mayor que otros condensadores.
Un salto tan grande en la eficiencia de los condensadores podría multiplicar la duración de la batería de dispositivos electrónicos, coches eléctricos o baterías de almacenamiento de energía a gran escala para la red eléctrica, que necesita responder rápidamente a la demanda de electricidad y las fluctuaciones diarias en la generación de energía a partir de fuentes renovables.
Imagen | JMortonPhoto.com & OtoGodfrey.com (CC BY-SA 4.0 DEED)
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