Desarrollan condensadores que resisten temperaturas de 200 °C; el nuevo material aguanta 100.000 ciclos

Científicos encontraron una manera de hacer que condensadores dieléctricos poliméricos funcionen normalmente a 200 °C, donde muchos materiales comerciales pierden rápidamente su eficiencia. Un poliésterimida modificado mantuvo más del 90% de eficiencia, entregó 6,0 J por cm³ y soportó más de 100 000 ciclos de carga y descarga.

Condensadores dieléctricos poliméricos acumulan energía en un campo eléctrico y pueden liberarla muy rápidamente. Su bajo peso y alta potencia los hacen adecuados para electrónica de potencia, vehículos eléctricos y otro equipo, pero el calor supone un problema serio. A altas temperaturas más corriente parásita atraviesa el dieléctrico, parte de la energía se disipa en forma de calor y el aislamiento gradualmente resiste peor los campos eléctricos intensos.

Los autores de la nueva investigación decidieron no crear un polímero desde cero, sino modificar la estructura de materiales ya existentes. Los científicos formaron puentes químicos adicionales entre las cadenas poliméricas. Las cadenas tuvieron menos libertad de movimiento al calentarse, por lo que el material conservó mejor su aislamiento eléctrico.

Para la reticulación los investigadores usaron la reacción de inserción de nitreno en enlaces carbono-hidrógeno. Desde un punto de vista práctico es más importante que ese tipo de enlaces se encuentran en muchos polímeros, por lo que los químicos no tienen que buscar una reacción distinta para cada material. Los autores probaron el método en varios polímeros dieléctricos comerciales con distinta composición química, y realizaron las pruebas principales en poliésterimida.

A 200 °C, la película reticulada de poliésterimida entregó 6,0 J/cm³ con una eficiencia superior al 90%. Luego la muestra fue sometida a más de 100 000 ciclos de carga y descarga a una intensidad de campo eléctrico de 500 MV/m. El material mantuvo características estables incluso bajo ese régimen tan exigente.

La alta eficiencia en un condensador para altas temperaturas es especialmente importante. Cuanta más energía se pierde dentro del material, más se calienta y más rápido empeoran sus propiedades. Los enlaces adicionales entre las cadenas poliméricas ayudan a frenar este proceso y permiten que el dieléctrico funcione simultáneamente a alta temperatura y con un campo eléctrico intenso.

Los científicos también estimaron cuánto podrá durar el material modificado bajo campos eléctricos típicos del equipo industrial. El cálculo arrojó alrededor de 60 años. Es una previsión basada en los resultados de las pruebas, no un periodo de servicio verificado por décadas de uso.

La principal ventaja del método es la posibilidad de mejorar polímeros ya comercializados en lugar de desarrollar un material resistente al calor distinto para cada tipo de condensador. Ahora los investigadores deben determinar qué tan bien se traslada la tecnología de laboratorio a la producción en masa y si las características obtenidas se mantendrán en lotes grandes de película.