Til lagring af energi fra vedvarende kilder, forskere henvender sig til antiferroelektrik

(Phys.org) – En af de største udfordringer ved at generere energi fra vedvarende kilder er at finde en måde at lagre den konstant fluktuerende energi, der produceres. batterier, superkondensatorer, og de fleste andre energilagringsteknologier kan typisk ikke reagere hurtigt nok på de sekund-for-sekund-udsving, der er iboende i vind- og solenergikilder. En enhed, der har en tilstrækkelig hurtig respons, er elektrostatiske kondensatorer, men deres ulempe er deres lave energitæthed - de kan simpelthen ikke lagre særlig meget energi i et givet volumen.

Løsning af dette problem, forskere i en ny undersøgelse har i simuleringer vist, at antiferroelektriske materialer baseret på vismut potentielt kan udvise meget høje energitætheder (150 J/cm) ³ ), hvilket gør dem til et lovende kandidatmateriale til elektrostatiske kondensatorer. Resultaterne peger på muligheden for en højtydende, miljøvenlig energilagringsenhed til vedvarende energikilder.

Forskerne, Bin Xu og Laurent Bellaiche ved University of Arkansas, og Jorge Íñiguez ved Luxembourg Institute of Science and Technology, har offentliggjort et papir om deres undersøgelse af antiferroelektriske stoffer til energilagring i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

"Vi forudser, at sjældne jordarters substitueret bismuthferrit er et meget lovende system til energilagring med høj effekt på grund af dets høje energitætheder og gode effektiviteter, samt dens tuning fleksibilitet, " fortalte Xu Phys.org . "Den model, vi udviklede, forbinder opbevaringsegenskaberne med fundamentale energetiske egenskaber, hvilket kan føre til opdagelsen af ​​nye lagermaterialer baseret på antiferroelektriske stoffer."

Det vigtigste kendetegn ved antiferroelektriske materialer er, at deres tilstødende elektriske dipoler peger i modsatte retninger, som ophæver og resulterer i en netto nulpolarisering. Som resultat, materialerne bliver ferroelektriske under anvendelse af et tilstrækkeligt stort elektrisk felt. Disse elektriske egenskaber kan nemt indstilles ved at kontrollere en række parametre.

I den nye undersøgelse, forskerne udnyttede denne indstillingsmulighed til at øge energitætheden og effektiviteten af ​​en bestemt blyfri antiferroelektrisk forbindelse (sjælden jordartssubstitueret BiFeO ₃ ). Ved at ændre orienteringen af ​​det elektriske felt og sammensætningen af ​​sjældne jordarter, forskerne forudsagde potentialet for en meget høj energitæthed og høj effektivitet. De forventer, at tuning af andre parametre, såsom stamme eller tilsætning af andre sjældne jordarters dopingmidler, kan forbedre disse egenskaber yderligere.

Simuleringerne gjorde det også muligt for forskerne at udvikle en model til at forklare sammenhængen mellem energitætheden og de indstillelige parametre, der er undersøgt her. Denne model bør også give vejledning til udviklingen af ​​antiferroelektrisk-baserede kondensatorer i fremtiden. Forskerne håber, at disse teoretiske resultater vil motivere bestræbelser på eksperimentelt at demonstrere antiferroelektriske materialer med høj energitæthed.

"Med modellen, vi er interesserede i at vurdere lagringsegenskaberne af kendte og hypotetiske antiferroelektriske stoffer via high-throughput first-principles beregninger, " sagde Bellaiche. "De lovende kandidater vil blive yderligere undersøgt, i samarbejde med eksperimentalister og andre teoretikere."

© 2017 Phys.org