Rješenje za skladištenje energije kombinira polimere i nanosete

EcoStruxure™ delivers efficiency and resiliency to Lidl Finland (Lipanj 2019).

Anonim

Eksperimentalno je pokazano da novi, lagani kompozitni materijal za skladištenje energije u fleksibilnoj elektronici, električnim vozilima i aerospace aplikacijama pokazuje da pohranjuju energiju na radnim temperaturama iznad sadašnjih komercijalnih polimera, prema timu Penn State znanstvenika. Ovaj polimer-based, ultrathin materijal može se proizvesti koristeći tehnike već koristi u industriji.

"Ovo je dio niza posla koji smo obavili u našem laboratoriju na visokotemperaturnim dielektrikama za uporabu u kondenzatorima", rekao je Qing Wang, profesor znanosti o materijalima i inženjeringa, Penn State. "Prije ovog rada razvili smo kompoziciju nanosetaka i dielektričnih polimera borovog nitrida, ali smo shvatili da postoje značajni problemi s povećanjem ekonomskog utroška materijala."

Skalabilnost - ili stvaranje naprednih materijala u komercijalno relevantnim količinama za uređaje - bio je glavni izazov za mnoge nove, dvodimenzionalne materijale koji se razvijaju u akademskim laboratorijima.

"Iz perspektive mekih materijala, 2D materijali su fascinantni, ali kako ih masovno proizvoditi, pitanje je", rekao je Wang. "Osim toga, njihovo kombiniranje s polimernim materijalima ključna je značajka za buduće fleksibilne aplikacije elektronike i elektroničke uređaje."

Da bi riješio taj problem, Wangov laboratorij surađivao je s grupom u Penn State koja je radila u dvodimenzionalnim kristalima.

"Ovaj je rad zamišljen u razgovorima između studenta, Amin Aziza i diplomskog studenta dr. Wanga Matthewa Gadinskog", rekao je Nasim Alem, pomoćni profesor materijalnih znanosti i inženjerstva i član fakulteta u Penn Stateovu centru za dvodimenzionalnu i Slojeviti materijali. "Ovo je prvi robusni eksperiment u kojem su mekani polimerni materijal i tvrdi 2D kristalni materijal spojeni kako bi stvorili funkcionalni dielektrični uređaj".

Azizi, sada poslijediplomanti na Kalifornijskom sveučilištu u Berkeleyju, a Gadinski, sada viši inženjer u DOW Chemical, razvio je tehniku ​​primjenu kemijske taloženja pare radi stvaranja višeslojnih, heksagonalnih nanocrcalnih filmova bora-nitrida i prijenos filmova na obje strane polieterimidnog (PEI) filma. Zatim su zajedno spojili filmove pomoću tlaka u troslojni sendvič strukturu. U rezultat koji je bio iznenađujući istraživači, samo pritisak, bez ikakvog kemijskog povezivanja, bio je dovoljan da se slobodno stojeći film dovoljno jak da bi se potencijalno mogao proizvesti u procesu valjanja do visokog kapaciteta.

Rezultati su objavljeni u nedavnom izdanju časopisa Advanced Materials u radu pod naslovom "Visokokvalitetni polimeri složeni s kemijskim parom deponiranim heksagonalnim boronskim nitridima kao skalabilnim visokotemperaturnim dielektričnim materijalima".

Šesterokutni boronski nitrid je široki pojasni materijal s visokom mehaničkom čvrstoćom. Njegov široki pojas čini ga dobrim izolatorom i štiti PEI film od dielektričnog sloma na visokim temperaturama, razlog za neuspjeh u drugim polimernim kondenzatorima. Na radnim temperaturama iznad 176 stupnjeva celzijusa, trenutni najbolji komercijalni polimeri počinju gubiti učinkovitost, ali PEI s heksagonalnim bonom-nitridom može raditi pri visokoj učinkovitosti na više od 392 stupnja celzijusa. Čak i pri visokim temperaturama, prevučeni PEI ostao je stabilan za više od 55.000 ciklusa punjenja i pražnjenja u ispitivanju.

"Teoretski, svi ovi visoko učinkoviti polimeri koji su tako komercijalno vrijedni mogu biti obloženi nosačima bora kako bi blokirali injekciju naboja", rekao je Wang. "Mislim da će ova tehnologija biti izvediva za buduću komercijalizaciju".

Alem je dodao: "Postoje mnogi uređaji napravljeni s 2D kristalima u laboratorijskoj ljestvici, ali defekti čine ih problemom za proizvodnju. S velikim materijalom poput boronskog nitrida čini dobar posao unatoč malim mikrostrukturnim značajkama koje možda neće biti idealan."

Proračuni prvih načela utvrdili su da je elektronska barijera, uspostavljena na sučelju PEI / heksagonalne strukture bor-nitrida i metalnih elektroda primijenjenih na strukturu kako bi se isporučio, struja znatno veća od tipičnih metal-elektrod-dielektričnih polimernih kontakata što ga više čini teško je napuniti elektrodom da se ubrizgava u film. Taj je rad obavio teorijska istraživačka skupina Long-Qing Chen, profesorica znanosti i inženjerstva materijala Donald W. Hamer, profesorica inženjerske znanosti i mehanike i matematike Penn State.

menu
menu