Energiespeicherlösung kombiniert Polymere und Nanoschichten

Anonim

Ein neues, leichtes Verbundmaterial für die Energiespeicherung in flexiblen Elektronik-, Elektrofahrzeug- und Raumfahrtanwendungen hat laut einem Team von Penn State-Wissenschaftlern experimentell gezeigt, dass es Energie bei Betriebstemperaturen speichern kann, die deutlich über aktuellen kommerziellen Polymeren liegen. Dieses ultradünne Material auf Polymerbasis kann unter Verwendung von bereits in der Industrie verwendeten Techniken hergestellt werden.

"Dies ist Teil einer Reihe von Arbeiten, die wir in unserem Labor für Hochtemperatur-Dielektrika für den Einsatz in Kondensatoren durchgeführt haben", sagte Qing Wang, Professor für Materialwissenschaften und -technik, Penn State. "Vor dieser Arbeit hatten wir ein Komposit aus Bornitrid-Nanoplättchen und dielektrischen Polymeren entwickelt, stellten aber fest, dass es erhebliche Probleme mit der wirtschaftlichen Skalierung dieses Materials gab."

Die Skalierbarkeit - oder die Herstellung fortgeschrittener Materialien in kommerziell relevanten Mengen für Geräte - war die entscheidende Herausforderung für viele der neuen zweidimensionalen Materialien, die in akademischen Laboren entwickelt wurden.

"Aus der Perspektive weicher Materialien sind 2D-Materialien faszinierend, aber wie man sie in Massen produziert, ist eine Frage", sagte Wang. "Außerdem ist es ein Schlüsselmerkmal für zukünftige flexible Elektronikanwendungen und elektronische Geräte, sie mit polymeren Materialien kombinieren zu können."

Um dieses Problem zu lösen, arbeitete Wangs Labor mit einer Gruppe in Penn State zusammen, die in zweidimensionalen Kristallen arbeitete.

"Diese Arbeit wurde in Gesprächen zwischen meinem Doktoranden Amin Azizi und Dr. Wangs Doktoranden Matthew Gadinski konzipiert", sagte Nasim Alem, Dozent für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Fakultätsmitglied im Penn State Center for 2-Dimensional and Layered Materialien. "Dies ist das erste robuste Experiment, bei dem ein weiches Polymermaterial und ein hartes 2D-kristallines Material zusammenkommen, um eine funktionelle dielektrische Vorrichtung zu schaffen."

Azizi, heute Postdoktorand an der University of California-Berkeley, und Gadinski, heute leitender Ingenieur bei DOW Chemical, entwickelten eine Technik, bei der chemische Gasphasenabscheidung zu mehrschichtigen, hexagonalen Bornitrid-Nanokristallfilmen verwendet und die Filme auf beide Seiten übertragen werden eines Polyetherimid (PEI) -Films. Als nächstes banden sie die Folien unter Druck zu einer dreischichtigen Sandwichstruktur zusammen. In einem Ergebnis, das für die Forscher überraschend war, reichte der Druck allein ohne chemische Bindung aus, um einen freistehenden Film herzustellen, der stark genug war, um in einem Hochdurchsatz-Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt zu werden.

Die Ergebnisse wurden in einer kürzlich erschienenen Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Materials in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Hochleistungspolymere, die mit durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase abgeschiedenen Hexagonalboronitriden als skalierbare dielektrische Hochtemperaturmaterialien belegt sind, berichtet."

Hexagonales Bornitrid ist ein Material mit großer Bandlücke und hoher mechanischer Festigkeit. Seine breite Bandlücke macht es zu einem guten Isolator und schützt den PEI-Film vor dielektrischem Durchschlag bei hohen Temperaturen, der Grund für das Versagen anderer Polymerkondensatoren. Bei Betriebstemperaturen oberhalb von 176 Grad Fahrenheit beginnen die derzeit besten kommerziellen Polymere an Effizienz zu verlieren, aber hexagonales Bornitrid-beschichtetes PEI kann bei über 392 Grad Fahrenheit bei hoher Effizienz arbeiten. Selbst bei hohen Temperaturen blieb das beschichtete PEI beim Test über 55.000 Lade-Entlade-Zyklen stabil.

"Theoretisch können all diese Hochleistungspolymere, die so kommerziell wertvoll sind, mit Bor-Nanoblättern beschichtet werden, um die Ladungsinjektion zu blockieren", sagte Wang. "Ich denke, dies wird diese Technologie für zukünftige Kommerzialisierung möglich machen."

Alem fügte hinzu: "Im Labormaßstab werden viele Bauelemente mit 2D-Kristallen hergestellt, aber Defekte machen sie zu einem Problem für die Fertigung. Mit einem großen Bandlückenmaterial wie Bornitrid macht es trotz kleiner mikrostruktureller Merkmale, die es nicht geben kann, eine gute Arbeit Ideal."

Berechnungen nach dem ersten Prinzip haben ergeben, dass die Elektronenbarriere, die an der Grenzfläche zwischen der PEI / hexagonalen Bornitridstruktur und den auf die Struktur aufgebrachten Metallelektroden aufgebaut wird, wesentlich höher ist als bei typischen Metallelektroden-Dielektrikum-Polymer-Kontakten schwierig für Ladungen von der Elektrode in den Film injiziert werden. Diese Arbeit wurde von der theoretischen Forschungsgruppe von Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professor für Materialwissenschaften und -technik, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Mathematik, Penn State gemacht.

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