En metode til at fremstille lange ruller af subnanokomposit dielektriske polymerer
Ingeniører og materialeforskere har forsøgt at udvikle mere og mere avancerede enheder for at imødekomme elektronikindustriens voksende behov. Disse enheder omfatter elektrostatiske kondensatorer, enheder, der kan lagre elektrisk energi i et dielektrikum mellem et par elektroder gennem akkumulering af elektrisk ladning på de dielektriske overflader.
Disse kondensatorer er afgørende komponenter i forskellige teknologier, herunder elektriske køretøjer og fotovoltaik (PV'er). De fremstilles ofte ved hjælp af polymerer som dielektriske materialer, syntetiske stoffer, der består af store organiske molekyler med god iboende fleksibilitet og isolerende egenskaber.
Forskere ved Tsinghua University og andre institutter i Kina introducerede for nylig en ny strategi til at fremstille polymerkompositter fyldt med subnanoark, der udviser yderst fordelagtige egenskaber. Deres foreslåede metode, skitseret i en Nature Energy papir, gjorde det muligt for dem at fremstille en 100 meter lang rulle af en polymerbaseret subnanokompositfilm.
"Vi har været opmærksomme på polymerbaserede subnanokompositter i årevis i samarbejde med professor Xun Wang fra Tsinghua University's Department of Chemistry," siger Yang Shen, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Vores forskning [fokuserer] på den kapacitive energilagring af polymerdielektriske stoffer, som kræver høj polarisering, modstand mod nedbrydning og undertrykkelse af ladningsmigrering, især ved høje temperaturer."
Subnanomaterialer er materialer med mindst én dimension under 1 nm i længden. Disse materialer kan antage forskellige former og former, såsom subnanowires, subnanosheets og subnanobelts. Tidligere undersøgelser har fundet ud af, at subnanomaterialer kan udvise forskellige nye egenskaber og egenskaber, som gør dem til lovende fyldstoffer til kompositdielektriske stoffer.
"For det første, takket være deres sammenlignelige størrelser med polymerkæder, dvs. 1 nm, viser subnanomaterialer stor fleksibilitet, hvilket betyder, at de kan justere deres former for at eliminere grænsefladehulrummene og smelte sammen en tæt grænseflade i kompositter," forklarede Shen. "Derudover har subnanomaterialer et overfladeatomforhold på næsten 100 % og et ultra-stort specifikt overfladeareal, som giver anledning til meget mere bemærkelsesværdige grænsefladefænomener end nanofyldstoffer, såsom ladningsindfangning og nedbrydningsvej, der hindrer."
Polyoxometalat (POM)-baserede subnanomaterialer fremstilles typisk ved at samle POM-klynger i en eller to dimensioner. Den unikke struktur, der er resultatet af denne proces, gør det muligt for disse materialer at fange og lagre mange elektroner via en reaktion kendt som metalkation-reduktion, hvilket giver en alternativ og lovende tilgang til at konvertere elektrisk energi i dielektriske enheder.
"I de seneste år har vi forsøgt at anvende subnanomaterialer som fyldstoffer og studeret polymerbaserede subnanokompositter," sagde Shen. "Oprindeligt fokuserede vi på subnanowires og har fundet den uventede forbedring af polarisering. I dette seneste arbejde vendte vi vores opmærksomhed mod subnanosheets, og en væsentlig forbedring af nedbrydningsstyrken blev understreget."
Forskerne har forsøgt at fremstille højkvalitets polymer subnanokompositter i et stykke tid nu, da de først skulle overvinde adskillige tekniske forhindringer. Først skulle de identificere passende opløsningsmidler til at syntetisere materialerne.
"De rigtige opløsningsmidler til polymerer og subnanomaterialer er helt forskellige, dvs. henholdsvis N,N-Dimethylformamid (DMF) eller N-Methylpyrrolidon (NMP) for førstnævnte og chloroform eller cyclohexan for sidstnævnte," sagde Shen.
"I begyndelsen valgte vi chloroform som opløsningsmiddel, men dets lave kogepunkt og hurtige fordampning gjorde opløsningsstøbningsprocessen af kompositfilm meget vanskelig. Vi henvendte os derefter til DMF/NMP og stødte på den forkerte fordeling af subnanomaterialer i dem."
For at overvinde de udfordringer, de stødte på ved brug af DMF/NMP opløsningsmidler, brugte forskerne forskellige dispergeringsprocesser, såsom kraftig omrøring og ultralydsbehandling af materialer. Dette gjorde det i sidste ende muligt for dem at sikre, at subnanomaterialerne var ensartet spredt i deres film.
I sidste ende var Shen og hans kolleger i stand til at realisere højkvalitets subnanokompositter med et fyldstofindhold under 1 vægt% og fandt ud af, at dette var nok til væsentligt at forbedre deres materialers dielektriske ydeevne, hvilket muliggjorde en ultrahøj Ud på 7,2 J cm − 3 med en opladnings-afladningseffektivitet på 90 % og opladnings-afladningscyklusstabilitet på op til 5 × 10 5 cyklusser ved 200 °C.
"Forskelligt fra traditionelle nanokompositter har vores subnanokompositter stadig fremragende fleksibilitet, hvilket antyder dets brede udsigter til industriel rulle-til-rulle-fremstilling og anvendelse med flere konfigurationer," sagde Shen. "Derudover har subnanomaterialer vist sig at have forbedrende virkninger i mange almindelige varmebestandige polymerer, hvilket yderligere bekræfter dets almindelighed inden for kapacitiv energilagring."
Som en del af deres undersøgelse var forskerne i stand til at fremstille en 100 meter lang rulle af en subnanokompositfilm ved hjælp af opløsningsstøbeudstyr bygget i deres laboratorium. Bemærkelsesværdigt nok ser deres fremstillingsmetode ud til at være let at skalere op og kunne således muliggøre rulle-til-rulle kontinuerlig fremstilling af subnanokompositter.
"Med hensyn til traditionelle nanokomposit dielektriske materialer, på grund af det høje indhold af stive uorganiske nanofillers, er der adskillige defekter og hulrum ved grænsefladen," sagde Shen.
"Under rulle-til-rulle-fremstillingen vil disse grænsefladedefekter danne mikrorevner, som i høj grad forringer fleksibiliteten og hindrer den industrielle fremstilling af disse nanokompositfilm. I modsætning hertil bevarer vores subnanokompositter stor fleksibilitet og har tæt grænseflade på grund af den iboende fleksibilitet og god grænsefladekompatibilitet med polymerer af subnanomaterialer."
Shen og hans kolleger fandt ud af, at den 100 meter lange polymer-uorganiske subnanokomposit, de producerede, udviste stabil energilagringsevne og pålidelige egenskaber. I fremtiden håber de, at deres foreslåede metoder vil muliggøre storstilet fremstilling af subnanokompositte dielektriske materialer, hvilket kan lette deres integration i forskellige enheder.
I deres næste undersøgelser planlægger forskerne at fortsætte med at udforske fremstillingen af polymer-uorganiske subnanokompositmaterialer til energilagringskondensatorer. Ud over at forbedre ydeevnen af subnanokompositter, håber de i stigende grad at forenkle deres produktion.
"På den ene side vil vi fortsætte med at udforske interaktionen mellem polymerer og uorganiske fyldstoffer på subnanoskala og demonstrere dens indvirkning på kapacitiv energilagring," tilføjede Shen.
"Det har vist sig, at de subnanoinorganiske stoffer udviser fremragende strukturel kompatibilitet og lignende skala som polymerkæder, hvilket inspirerer os til at introducere kemiske bindinger mellem dem og danne hybriddielektrika uden grænseflade. På den anden side håber vi også at fremme deres masseproduktion og anvendelse i filmkondensatorer."
"Selvom subnanokomposit viste lovende for rulle-til-rulle kontinuerlig fremstilling af dielektrisk film, er der stadig mange forhindringer for os at overvinde, såsom høje omkostninger til råmaterialer og tidskrævende syntese af subnanomaterialer."
Flere oplysninger: Minzheng Yang et al., Roll-to-roll-fabrikerede polymerkompositter fyldt med subnanoark, der udviser høj energitæthed og cyklisk stabilitet ved 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3
Journaloplysninger: Naturenergi
© 2024 Science X Network
Varme artikler
-
Nye test af nanostruktureret materiale kan føre til bedre rustningDette elektron-mikroskopbillede af et tværsnit af en lagdelt polymer viser krateret efterladt af en stødende glasperle, og deformationen af det tidligere lige, parallelle linjer i den lagdelte struk -
Forskere bruger nanopartikler til at gøre fotodetektorer bedre i stand til at håndtere den ultravi…I denne kunstners gengivelse, ultraviolet lys omdannes af nanopartikler (sorte prikker) til synligt lys. Nanopartikler af forskellig størrelse vil skifte lys til forskellige bølgelængder, eller farver -
Forskere laver skalerbare arrays af byggeklodser til ultratynd elektronikKompleks, skalerbare arrays af halvleder-heterojunctions - lovende byggesten til fremtidig elektronik - blev dannet i et todimensionelt krystallinsk monolag af molybdændeselenid ved at konvertere lito -
Nyt Flatland materiale:Fysikere opnår kvasi-2D guldIllustration. Kvasi-todimensionelt guld. Kredit:Ella Maru Studio Forskere fra MIPT Center for Photonics and 2-D Materials har syntetiseret en kvasi-2-D guldfilm, afsløre, hvordan materialer, der n
- Klimaændringer truer de første mennesker, krop og sjæl
- Forskere begynder at udforske Det Indiske Oceans dybder på Seychellerne
- Ny algoritme giver mulighed for hurtigere, dyrefri kemisk toksicitetstest
- En app-baseret anbefalingsramme for investoradoption af kryptoaktiver
- Princippet, der styrer alt fra raketlandinger til renter
- Tusinder af pingvinkyllinger sulter i Antarktis