(Phys.org)—En av de största utmaningarna med att generera energi från förnybara källor är att hitta ett sätt att lagra den ständigt fluktuerande energin som produceras. Batterier, superkondensatorer, och de flesta andra energilagringstekniker kan vanligtvis inte reagera tillräckligt snabbt på de svängningar sekund för sekund som är inneboende i vind- och solenergikällor. En enhet som har tillräckligt snabbt svar är elektrostatiska kondensatorer, men deras nackdel är deras låga energitäthet - de kan helt enkelt inte lagra särskilt mycket energi i en given volym.

För att lösa detta problem, Forskare i en ny studie har i simuleringar visat att antiferroelektriska material baserade på vismut potentiellt kan uppvisa mycket höga energidensiteter (150 J/cm ³ ), vilket gör dem till ett lovande kandidatmaterial för elektrostatiska kondensatorer. Resultaten pekar på möjligheten till en högpresterande, miljövänlig energilagringsenhet för förnybara energikällor.

Forskarna, Bin Xu och Laurent Bellaiche vid University of Arkansas, och Jorge Íñiguez vid Luxembourg Institute of Science and Technology, har publicerat ett papper om deras undersökning av antiferroelektriska ämnen för energilagring i ett nyligen utgåva av Naturkommunikation .

"Vi förutspår att sällsynt-jord-substituerad vismutferrit är ett mycket lovande system för energilagring med hög effekt på grund av dess höga energitäthet och goda effektivitet, såväl som dess inställningsflexibilitet, " berättade Xu Phys.org . "Modellen vi utvecklade kopplar samman lagringsegenskaperna med grundläggande energiegenskaper, vilket kan leda till upptäckten av nya lagringsmaterial baserade på antiferroelektrik."

Det viktigaste kännetecknet för antiferroelektriska material är att deras intilliggande elektriska dipoler pekar i motsatta riktningar, som tar ut och resulterar i en netto nollpolarisering. Som ett resultat, materialen blir ferroelektriska under applicering av ett tillräckligt stort elektriskt fält. Dessa elektriska egenskaper kan enkelt justeras genom att styra en mängd olika parametrar.

I den nya studien, forskarna utnyttjade denna inställningsmöjlighet för att öka energitätheten och effektiviteten hos en viss blyfri antiferroelektrisk förening (sällsynt jordartssubstituerad BiFeO ₃ ). Genom att ändra orienteringen av det elektriska fältet och den sällsynta jordartssammansättningen, forskarna förutspådde potentialen för en mycket hög energitäthet och hög effektivitet. De förväntar sig att justering av andra parametrar, såsom stam eller tillsats av andra sällsynta jordartsmetaller, dopämnen, kan förbättra dessa egenskaper ytterligare.

Simuleringarna gjorde det också möjligt för forskarna att utveckla en modell för att förklara sambandet mellan energitätheten och de avstämbara parametrarna som undersöks här. Denna modell bör också ge vägledning för utvecklingen av antiferroelektriska kondensatorer i framtiden. Forskarna hoppas att dessa teoretiska resultat kommer att motivera ansträngningar att experimentellt demonstrera antiferroelektriska material med hög energitäthet.

"Med modellen, vi är intresserade av att bedöma lagringsegenskaperna hos kända och hypotetiska antiferroelektriska ämnen via beräkningar av första principerna med hög genomströmning, " sa Bellaiche. "De lovande kandidaterna kommer att granskas ytterligare, i samarbete med experimentalister och andra teoretiker."

© 2017 Phys.org