La recherche a produit un condensateur ferroélectrique avec une densité d'énergie 19 fois supérieure aux modèles actuels et un rendement supérieur à 90 %, en utilisant de nouvelles hétérostructures 2D/3D/2D. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques ont développé une nouvelle méthode pour contrôler le temps de relaxation des condensateurs ferroélectriques à l'aide de matériaux 2D, améliorant ainsi considérablement leurs capacités de stockage d'énergie. Cette innovation a conduit à une structure qui améliore la densité et l’efficacité énergétiques, promettant des progrès dans l’électronique de haute puissance et les technologies durables.
Les condensateurs électrostatiques jouent un rôle crucial dans l'électronique moderne. Ils permettent une charge et une décharge ultrarapides, fournissant ainsi un stockage d'énergie et de l'alimentation pour des appareils allant des smartphones, ordinateurs portables et routeurs aux appareils médicaux, électroniques automobiles et équipements industriels. Cependant, les matériaux ferroélectriques utilisés dans les condensateurs entraînent des pertes d'énergie importantes en raison de leurs propriétés matérielles, ce qui rend difficile la fourniture d'une capacité de stockage d'énergie élevée.
Innovations dans les condensateurs ferroélectriques
Sang-Hoon Bae, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering de l'Université Washington de St. Louis, a relevé ce défi de longue date lié au déploiement de matériaux ferroélectriques pour des applications de stockage d'énergie.
Dans une étude publiée aujourd'hui (18 avril) dans la revue ScienceBae et ses collaborateurs, dont Rohan Mishra, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux, et Chuan Wang, professeur agrégé de génie électrique et de systèmes, tous deux à WashU, et Frances Ross, professeur TDK en science et ingénierie des matériaux à MITa introduit une approche pour contrôler le temps de relaxation – une propriété interne du matériau qui décrit le temps nécessaire à la charge pour se dissiper ou se désintégrer – des condensateurs ferroélectriques à l’aide de matériaux 2D.
Développer de nouvelles hétérostructures
En collaboration avec Bae, le doctorant Justin S. Kim et le chercheur postdoctoral Sangmoon Han ont développé de nouvelles hétérostructures 2D/3D/2D capables de minimiser la perte d'énergie tout en préservant les propriétés matérielles avantageuses des matériaux ferroélectriques 3D.
Leur approche intègre intelligemment des matériaux 2D et 3D dans des couches atomiquement minces avec des liaisons chimiques et non chimiques soigneusement conçues entre chaque couche. Un noyau 3D très fin est inséré entre deux couches externes 2D pour créer un empilement d’environ 30 nanomètres d’épaisseur seulement. Cela représente environ un dixième de la taille moyenne virus particule.
Percée dans le stockage d’énergie
« Nous avons créé une nouvelle structure basée sur les innovations que nous avons déjà réalisées dans mon laboratoire impliquant des matériaux 2D », a déclaré Bae. « Au départ, nous ne nous concentrions pas sur le stockage d'énergie, mais au cours de notre exploration des propriétés des matériaux, nous avons découvert un nouveau phénomène physique dont nous avons réalisé qu'il pouvait être appliqué au stockage d'énergie, et qui était à la fois très intéressant et potentiellement beaucoup plus utile. »
Les hétérostructures 2D/3D/2D sont finement conçues pour se situer à mi-chemin entre la conductivité et la non-conductivité, là où les matériaux semi-conducteurs ont des propriétés électriques optimales pour le stockage d'énergie. Avec cette conception, Bae et ses collaborateurs ont signalé une densité d'énergie jusqu'à 19 fois supérieure à celle des condensateurs ferroélectriques disponibles dans le commerce, et ont atteint un rendement de plus de 90 %, ce qui est également sans précédent.
Impact sur l'électronique de nouvelle génération
« Nous avons découvert que le temps de relaxation diélectrique peut être modulé ou induit par un très petit espace dans la structure du matériau », a expliqué Bae. « Ce nouveau phénomène physique est quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant. Cela nous permet de manipuler le matériau diélectrique de telle manière qu'il ne se polarise pas et ne perde pas sa capacité de charge.
Alors que le monde est confronté à l'impératif de transition vers des composants électroniques de nouvelle génération, le nouveau matériau hétérostructuré de Bae ouvre la voie à des dispositifs électroniques hautes performances, englobant l'électronique haute puissance, les systèmes de communication sans fil haute fréquence et les puces de circuits intégrés. Ces avancées sont particulièrement cruciales dans les secteurs nécessitant des solutions robustes de gestion de l’énergie, tels que les véhicules électriques et le développement des infrastructures.
Orientations et applications futures
« Fondamentalement, cette structure que nous avons développée est un nouveau matériau électronique », a déclaré Bae. « Nous ne sommes pas encore optimaux à 100 %, mais nous surpassons déjà ce que font les autres laboratoires. Nos prochaines étapes consisteront à améliorer encore cette structure matérielle, afin de pouvoir répondre aux besoins de charge et de décharge ultrarapides et de très hautes densités d'énergie dans les condensateurs. Nous devons être capables de le faire sans perdre de capacité de stockage à cause de charges répétées pour voir ce matériau largement utilisé dans les grands appareils électroniques, comme les véhicules électriques, et dans d’autres technologies vertes en développement.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (2240995, DMR-2122070 et DMR-2145797), Samsung Electronics Co., Ltd. (IO221219-04250-01), le Korea Institute for Advancement of Technology (P0017305), le National Research Fondation de Corée (2015R1A3A2066337) et Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire du Bureau de recherche de l'armée (W911NF-21-1-0327). Ce travail a utilisé des ressources informatiques grâce à l'allocation DMR160007 du programme Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS), qui est soutenu par NSF.
