Ces condensateurs jouent un rôle crucial dans les appareils électroniques modernes, puisqu’ils permettent des charges et décharges ultra-rapides et fournissent l’énergie nécessaire aux smartphones, ordinateurs portables, dispositifs médicaux, et équipements industriels. Mais voilà, les matériaux ferroelectriques utilisés dans les condensateurs souffrent de pertes d’énergie importantes en raison de leurs propriétés matérielles, ce qui limite leur capacité de stockage d’énergie.
Des appareils électroniques qui tiennent la distance plus longtemps
Pour surmonter cet obstacle, Sang-Hoon Bae, professeur adjoint de génie mécanique et sciences des matériaux à l’Université de Washington à Saint-Louis, a collaboré avec d’autres chercheurs pour plancher sur une approche inédite exploitant des matériaux 2D. Leur étude, publiée dans Science, propose une méthode pour contrôler le temps de relaxation des condensateurs ferroelectriques ; il s’agit d’un paramètre interne qui décrit le temps nécessaire pour que la charge se dissipe ou décroisse.
L’équipe a développé des « hétérostructures 2D/3D/2D » capables de minimiser les pertes d’énergie tout en conservant les propriétés avantageuses des matériaux ferroelectriques 3D. Leur approche consiste à intercaler des couches de matériaux 2D et 3D dans des structures fines avec des liaisons chimiques et non chimiques soigneusement conçues entre chaque couche. Le résultat est une pile d’environ 30 nanomètres d’épaisseur (autrement dit : c’est tout petit).
Ces structures sont spécialement conçues pour atteindre un équilibre parfait entre conductivité et isolation, ce qui est crucial pour le stockage d’énergie. En d’autres termes, elles sont suffisamment conductrices pour permettre le passage de l’électricité, tout en étant suffisamment isolantes pour conserver l’énergie stockée sans la perdre.
Grâce à ce design ingénieux, les chercheurs ont réussi à multiplier par 19 la densité d’énergie par rapport aux condensateurs ferroelectriques classiques disponibles sur le marché, tout en atteignant une efficacité de plus de 90%. Cela signifie que presque toute l’énergie stockée peut être utilisée, ce qui est une performance exceptionnelle.
« Au départ, nous ne nous concentrions pas sur le stockage d’énergie, mais en explorant les propriétés des matériaux, nous avons découvert un nouveau phénomène physique que nous avons pu appliquer au stockage d’énergie », explique Sang-Hoon Bae. « Ce nouveau phénomène physique nous permet de manipuler le matériau diélectrique de manière à ce qu’il ne se polarise pas et ne perde pas sa capacité de charge », ajoute-t-il.
Cette technologie présente un sacré potentiel pour améliorer les performances de stockage d’énergie. Toutefois, il est peu probable qu’elle remplace complètement les batteries à court terme. Les condensateurs améliorés pourraient cependant compléter les batteries, puisqu’il s’agit d’une solution de stockage d’énergie plus efficace et qui permet des charges et des décharges ultra-rapides. Une complémentarité qui pourrait améliorer les performances globales de nos appareils électroniques. Néanmoins, les batteries resteront nécessaires pour les usages demandant une énergie stockée sur de longues périodes.
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