(Phys.org) — Een van de grootste uitdagingen bij het opwekken van energie uit hernieuwbare bronnen is het vinden van een manier om de continu fluctuerende energie die wordt geproduceerd op te slaan. Batterijen, supercondensatoren, en de meeste andere technologieën voor energieopslag kunnen doorgaans niet snel genoeg reageren op de fluctuaties van seconde tot seconde die inherent zijn aan wind- en zonne-energiebronnen. Een apparaat dat wel een voldoende snelle respons heeft, zijn elektrostatische condensatoren, maar hun nadeel is hun lage energiedichtheid - ze kunnen gewoon niet veel energie opslaan in een bepaald volume.

Dit probleem aanpakken, onderzoekers in een nieuwe studie hebben in simulaties aangetoond dat antiferro-elektrische materialen op basis van bismut potentieel zeer hoge energiedichtheden kunnen vertonen (150 J/cm ³ ), waardoor ze een veelbelovend kandidaatmateriaal zijn voor elektrostatische condensatoren. De resultaten wijzen op de mogelijkheid van een krachtige, milieuvriendelijk energieopslagapparaat voor hernieuwbare energiebronnen.

De onderzoekers, Bin Xu en Laurent Bellaiche aan de Universiteit van Arkansas, en Jorge Íñiguez aan het Luxemburgs Instituut voor Wetenschap en Technologie, hebben een paper gepubliceerd over hun onderzoek naar antiferro-elektriciteit voor energieopslag in een recent nummer van: Natuurcommunicatie .

"We voorspellen dat door zeldzame aarde gesubstitueerde bismutferriet een veelbelovend systeem is voor energieopslag met hoog vermogen vanwege de hoge energiedichtheid en goede efficiëntie, evenals de afstemmingsflexibiliteit, " vertelde Xu Phys.org . "Het door ons ontwikkelde model verbindt de opslageigenschappen met fundamentele energetische eigenschappen, wat kan leiden tot de ontdekking van nieuwe opslagmaterialen op basis van antiferro-elektriciteit."

Het belangrijkste kenmerk van antiferro-elektrische materialen is dat hun aangrenzende elektrische dipolen in tegengestelde richtingen wijzen, die opheffen en resulteren in een polarisatie van netto nul. Als resultaat, de materialen worden ferro-elektrisch onder toepassing van een voldoende groot elektrisch veld. Deze elektrische eigenschappen kunnen eenvoudig worden afgesteld door een verscheidenheid aan parameters te regelen.

In de nieuwe studie de wetenschappers maakten gebruik van deze afstembaarheid om de energiedichtheid en efficiëntie van een bepaalde loodvrije antiferro-elektrische verbinding (rare-aarde-gesubstitueerde BiFeO ₃ ). Door de oriëntatie van het elektrische veld en de samenstelling van de zeldzame aarde te veranderen, de onderzoekers voorspelden het potentieel voor een zeer hoge energiedichtheid en een hoog rendement. Ze verwachten dat het afstemmen van andere parameters, zoals stam of de toevoeging van andere zeldzame-aarde doteringsmiddelen, kunnen deze eigenschappen nog verder verbeteren.

De simulaties stelden de onderzoekers ook in staat een model te ontwikkelen om het verband tussen de energiedichtheid en de hier onderzochte afstembare parameters te verklaren. Dit model zou ook een leidraad moeten bieden voor de ontwikkeling van op antiferro-elektrische gebaseerde condensatoren in de toekomst. De onderzoekers hopen dat deze theoretische resultaten inspanningen zullen motiveren om antiferro-elektrische materialen met hoge energiedichtheden experimenteel aan te tonen.

"Met het model we zijn geïnteresseerd in het beoordelen van de opslageigenschappen van bekende en hypothetische antiferro-elektriciteit via high-throughput first-principles-berekeningen, " zei Bellaiche. "De veelbelovende kandidaten zullen verder worden onderzocht, in samenwerking met experimentatoren en andere theoretici."

© 2017 Fys.org