Incremento de la capacidad de almacenamiento de energía en cerámicos de composición 0,96(Bi0,5Na0,5)TiO3-0,06(BaTiO3) mediante la adición de Nb2O5

DIFEO, MAURO; GIBBS, FLORENCIA; RAMAJO, LEANDRO; CASTRO, MIRIAM

Congreso; SAM - 20º Congreso Nacional de Materiales 2022; 2022

Los condensadores para almacenamiento de energía son dispositivos electrónicos que tienen la capacidad de almacenar energía en un campo eléctrico. Ellos desempeñan un papel clave en aplicaciones que necesitan entregar grandes cantidades de energía en muy poco tiempo como, por ejemplo, en el torque de arranque y factor de potencia en motores eléctricos, filtros en circuitos electrónicos, etc. La creciente demanda en la miniaturización de la electrónica de potencia aumentó el interés por materiales dieléctricos con alta densidad de almacenamiento de energía. La polarización remanente (Pr), la polarización de saturación (Ps), el campo eléctrico de ruptura (EB) y la permitividad dieléctrica (r) son factores muy importantes a la hora de evaluar la eficiencia de almacenamiento de energía () de materiales ferroeléctricos. Por lo tanto, bajos valores de Pr y r junto a valores de Ps y EB altos, constituyen la combinación óptima para mejorar el rendimiento del almacenamiento de energía. En los últimos años, se han desarrollado materiales piezoeléctricos basados en circonato-titanato de plomo (PZT) para el almacenamiento de energía [1]. Sin embargo, debido a los efectos nocivos del plomo en la salud y el medio ambiente, desde 2003 la legislación de la Unión Europea (UE) ha comenzado a restringir su utilización. Estas limitaciones impulsaron el desarrollo de cerámicos piezoeléctricos libre de plomo [2,3]. En consecuencia, se ha dedicado mucha atención al estudio del titanato de bismuto y sodio Na0,5Bi0,5TiO3 (BNT) que presenta un alto valor de temperatura de Curie, TC ~ 320 °C [4]. No obstante, su coeficiente piezoeléctrico moderado y la dificultad para lograr una polarización completa debido a su alto campo coercitivo (EC ~ 73 kV/cm), junto con su polarización remanente relativamente grande, Pr ~ 38 μC/cm2, a temperatura ambiente, dificultan su posible aprovechamiento para aplicaciones de almacenamiento de la energía [4-6]. Para resolver este problema, se han estudiado una serie de soluciones sólidas basadas en BNT como, por ejemplo, (Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTiO3 (BNT-BT), (Bi0.5Na0.5)TiO3-(BaTiO3)-(Bi0.5K0.5)TiO3 (BNT-BT-BKT), Bi0.5Na0.5TiO3–BaTiO3–K0.5Na0.5NbO3 (BNT-BT-KNN). En el caso del sistema BNT-BT, que se estudia en el presente trabajo, Na+ y Bi3+ fueron parcialmente sustituidos por Ba2+ en el sitio A de la perovskita BNT. De este modo, se establece la coexistencia de las estructuras romboédrica (BNT) y tetragonal (BT) permitiendo una transición de fase morfotrópica. Si bien mediante esta solución sólida se logran reducir los valores del campo coercitivo y la polarización remanente, estos cambios no resultan suficientes para aplicaciones en acumulación de energía [7].Para contrarrestar este inconveniente y considerando que las propiedades piezoeléctricas de las soluciones sólidas pueden ser modificadas con la incorporación de aditivos específicos, diversos investigadores han propuesto incorporar Nb2O5 al sistema BNT para mejorar la capacidad de acumulación de energía [8-10].En el presente trabajo, se incorporaron diferentes cantidades de Nb2O5 (x = 0,0; 0,5; 1,0 y 2,0 % mol) a la composición 0,94(Bi0,5Na0,5)TiO3–0,06BaTiO3 correspondiente al límite de fase polimórfica. Las muestras fueron sintetizadas mediante el método de estado sólido y sinterizadas a 1150°C. Se realizó la caracterización estructural de las piezas sinterizadas, mediante Difracción de Rayos y espectroscopía Raman. Se evaluaron las propiedades microestructurales mediante microscopía electrónica de barrido y las propiedades dieléctricas, piezoeléctricas y ferroeléctricas. A través de este estudio se determinó un aumento en la eficiencia de acumulación de energía con el incremento en el contenido de Nb (ver, Figura 1). Esta variación se relaciona con cambios estructurales y microestructurales en las muestras sinterizadas