Energilagringsløsning kombinerer polymerer og nanoplader

En ny, letvægts kompositmateriale til energilagring i fleksibel elektronik, elektriske køretøjer og rumfartsapplikationer har eksperimentelt vist sig at lagre energi ved driftstemperaturer langt over nuværende kommercielle polymerer, ifølge et hold af Penn State-forskere. Denne polymerbaserede, ultratyndt materiale kan fremstilles ved hjælp af teknikker, der allerede anvendes i industrien.

"Dette er en del af en række arbejde, vi har udført i vores laboratorium på højtemperatur-dielektriske stoffer til brug i kondensatorer, " sagde Qing Wang, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Forud for dette arbejde havde vi udviklet en komposit af bornitrid nanoplader og dielektriske polymerer, men indså, at der var betydelige problemer med at opskalere det materiale økonomisk."

Skalerbarhed – eller fremstilling af avancerede materialer i kommercielt relevante mængder til enheder – har været den afgørende udfordring for mange af de nye, todimensionelle materialer, der udvikles i akademiske laboratorier.

"Fra et blødt materialeperspektiv, 2D materialer er fascinerende, men hvordan man masseproducerer dem er et spørgsmål, " sagde Wang. "Plus, at kunne kombinere dem med polymere materialer er en nøglefunktion for fremtidige fleksible elektronikapplikationer og elektroniske enheder."

For at løse dette problem, Wangs laboratorium samarbejdede med en gruppe i Penn State, der arbejdede i todimensionelle krystaller.

"Dette arbejde blev udtænkt i samtaler mellem min kandidatstuderende, Amin Azizi, og Dr. Wangs kandidatstuderende, Matthew Gadinski, " sagde Nasim Alem, assisterende professor i materialevidenskab og teknik og et fakultetsmedlem i Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials. "Dette er det første robuste eksperiment, hvor et blødt polymermateriale og et hårdt 2D-krystallinsk materiale er gået sammen for at skabe en funktionel dielektrisk enhed."

Azizi, nu post-doc ved University of California-Berkeley, og Gadinski, nu senioringeniør hos DOW Chemical, udviklet en teknik, der bruger kemisk dampaflejring til at lave flerlags, hexagonale bornitrid nanokrystalfilm og overføre filmene til begge sider af en polyetherimid (PEI) film. De bundede derefter filmene sammen ved hjælp af tryk til en tre-lags sandwichstruktur. I et resultat, der var overraskende for forskerne, pres alene, uden nogen kemisk binding, var nok til at gøre en fritstående film stærk nok til potentielt at blive fremstillet i en rulle-til-rulle-proces med høj kapacitet.

Resultaterne blev rapporteret i et nyligt nummer af tidsskriftet Avancerede materialer i et papir med titlen "Højtydende polymerer sammensat med kemiske dampaflejrede sekskantede boronitrider som skalerbare højtemperatur dielektriske materialer."

Hexagonal bornitrid er et materiale med bred båndgab med høj mekanisk styrke. Dens brede båndgab gør den til en god isolator og beskytter PEI-filmen mod dielektrisk nedbrydning ved høje temperaturer, årsagen til fejl i andre polymerkondensatorer. Ved driftstemperaturer over 176 grader Fahrenheit, de nuværende bedste kommercielle polymerer begynder at miste effektivitet, men hexagonal-bor-nitrid-belagt PEI kan fungere med høj effektivitet ved over 392 grader Fahrenheit. Selv ved høje temperaturer, den coatede PEI forblev stabil i over 55, 000 opladnings-afladningscyklusser i test.

"Teoretisk set, alle disse højtydende polymerer, der er så kommercielt værdifulde, kan belægges med boron-nanoark for at blokere ladningsinjektion, " sagde Wang. "Jeg tror, ​​at dette vil gøre denne teknologi mulig for fremtidig kommercialisering."

Alem tilføjede, "Der er mange enheder lavet med 2D-krystaller i laboratorieskala, men defekter gør dem til et problem for fremstillingen. Med et stort båndgab materiale som bornitrid, det gør et godt stykke arbejde på trods af små mikrostrukturelle funktioner, som måske ikke er ideelle."

Første principsberegninger bestemte, at elektronbarrieren, etableret ved grænsefladen mellem PEI/hexagonal bornitrid-strukturen og metalelektroderne påført strukturen for at levere, strømmen er betydeligt højere end typiske metalelektrode-dielektriske polymerkontakter, gør det sværere for ladninger fra elektroden at blive sprøjtet ind i filmen. Dette arbejde blev udført af den teoretiske forskningsgruppe af Long-Qing Chen, Donald W. Hamer professor i materialevidenskab og teknik, professor i ingeniørvidenskab og mekanik, og matematik, Penn State.