Ideelt energilagringsmateriale til elbiler udviklet

Energilagringsmålet for et polymer dielektrisk materiale med høj energitæthed, høj effektdensitet og fremragende ladningsudladningseffektivitet til brug af elektriske og hybridbiler er opnået af et team af Penn State-materialeforskere. Nøglen er en unik tredimensionel sandwichlignende struktur, der beskytter det tætte elektriske felt i polymer/keramisk komposit mod dielektrisk nedbrydning. Deres resultater offentliggøres i dag (22. august) i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Polymerer er ideelle til energilagring til transport på grund af deres lette vægt, skalerbarhed og høj dielektrisk styrke, "siger Qing Wang, professor i materialevidenskab og teknik og teamlederen. "Imidlertid, den eksisterende kommercielle polymer, der anvendes i hybrid- og elbiler kaldet BOPP, kan ikke klare de høje driftstemperaturer uden betydeligt ekstra køleudstyr. Dette øger køretøjernes vægt og omkostninger. "

Forskerne måtte overvinde to problemer for at nå deres mål. I normale todimensionale polymerfilm, såsom BOPP, forøgelse af den dielektriske konstant, styrken af ​​det elektriske felt, er i konflikt med stabilitet og afladningseffektivitet. Jo stærkere feltet, jo mere sandsynligt et materiale er for at lække energi i form af varme. Penn State-forskerne angreb oprindeligt dette problem ved at blande forskellige materialer, mens de forsøgte at afbalancere konkurrerende ejendomme i en todimensionel form. Selvom dette øgede energikapaciteten, de fandt ud af, at filmen brød sammen ved høje temperaturer, da elektroner undslap elektroderne og blev injiceret i polymeren, som fik en elektrisk strøm til at dannes.

"Derfor udviklede vi denne sandwichstruktur, "Wang siger." Vi har de øverste og nederste lag, der blokerer ladningsinjektion fra elektroderne. Så i det centrale lag kan vi lægge alt det høje dielektriske konstante keramiske/polymerfyldmateriale, der forbedrer energi og effekttæthed. "

De ydre lag, sammensat af bornitrid nanosheets i en polymermatrix, er fremragende isolatorer, mens det centrale lag er et højt dielektrisk konstant materiale kaldet bariumtitanat.

"Vi viser, at vi kan betjene dette materiale ved høj temperatur i 24 timer i træk over mere end 30, 000 cyklusser, og det viser ingen forringelse, "Siger Wang.

Sammenligning med BOPP

En sammenligning af BOPP og sandwichstrukturen nanokomposit, betegnet SSN-x, hvor x refererer til procentdelen af ​​bariumtitanat -nanokompositter i det centrale lag, viser, at ved 150 grader C, SSN-x har i det væsentlige den samme ladningsudladningsenergi som BOPP ved den typiske driftstemperatur på 70 grader C. Dog er SSN-x har flere gange energitætheden af ​​BOPP, hvilket gør SSN-x meget foretrukket til elektriske køretøjer og rumfartsapplikationer som energilagringsenhed på grund af evnen til at reducere elektronikkens størrelse og vægt betydeligt, samtidig med at systemets ydeevne og stabilitet forbedres. Fjernelsen af ​​omfangsrigt og dyrt køleudstyr, der kræves til BOPP, er en ekstra bonus.

"Vores næste trin er at arbejde med en virksomhed eller med flere ressourcer til at lave bearbejdningsundersøgelser for at se, om materialet kan produceres i større skala til en rimelig pris, "Wang siger." Vi har demonstreret materialernes ydeevne i laboratoriet. Vi udvikler en række state-of-the-art materialer i samarbejde med vores teorikollega Long-Qing Chen i vores afdeling. Fordi vi har at gøre med et tredimensionelt rum, det er ikke kun at vælge materialer, men hvordan vi organiserer de flere nanoserede materialer på bestemte steder. Teori hjælper os med at designe materialer på en rationel måde. "