Het doel van de energieopslag van een polymeer diëlektrisch materiaal met een hoge energiedichtheid, hoge vermogensdichtheid en uitstekende laad-ontlaadefficiëntie voor gebruik in elektrische en hybride voertuigen is bereikt door een team van materiaalwetenschappers van Penn State. De sleutel is een unieke driedimensionale sandwich-achtige structuur die het dichte elektrische veld in de polymeer/keramische composiet beschermt tegen diëlektrische doorslag. Hun resultaten worden vandaag (22 augustus) gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Polymeren zijn ideaal voor energieopslag voor transport vanwege hun lichte gewicht, schaalbaarheid en hoge diëlektrische sterkte, " zegt Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek en de teamleider. "Echter, het bestaande commerciële polymeer dat wordt gebruikt in hybride en elektrische voertuigen, genaamd BOPP, kan de hoge bedrijfstemperaturen niet aan zonder aanzienlijke extra koelapparatuur. Dit draagt ​​bij aan het gewicht en de kosten van de voertuigen."

De onderzoekers moesten twee problemen overwinnen om hun doel te bereiken. In normale tweedimensionale polymeerfilms zoals BOPP, verhoging van de diëlektrische constante, de sterkte van het elektrische veld, is in strijd met stabiliteit en laad-ontlaadefficiëntie. Hoe sterker het veld, hoe groter de kans dat een materiaal energie lekt in de vorm van warmte. De onderzoekers van Penn State vielen dit probleem oorspronkelijk aan door verschillende materialen te mengen en tegelijkertijd concurrerende eigenschappen in een tweedimensionale vorm in evenwicht te brengen. Terwijl dit de energiecapaciteit verhoogde, ze ontdekten dat de film brak bij hoge temperaturen toen elektronen aan de elektroden ontsnapten en in het polymeer werden geïnjecteerd, waardoor een elektrische stroom ontstond.

"Daarom hebben we deze sandwichstructuur ontwikkeld, ", zegt Wang. "We hebben de bovenste en onderste lagen die de ladingsinjectie van de elektroden blokkeren. Vervolgens kunnen we in de centrale laag al het keramisch/polymeer vulmateriaal met een hoge diëlektrische constante plaatsen dat de energie- en vermogensdichtheid verbetert."

De buitenste lagen, samengesteld uit boornitride nanosheets in een polymeermatrix, zijn uitstekende isolatoren, terwijl de centrale laag een materiaal met een hoge diëlektrische constante is, bariumtitanaat genaamd.

"We laten zien dat we dit materiaal 24 uur lang op hoge temperatuur kunnen laten werken over meer dan 30, 000 cycli en het vertoont geen degradatie, "zegt Wang.

Vergelijking met BOPP

Een vergelijking van BOPP en de sandwichstructuur nanocomposiet, SSN-x genoemd, waarbij de x verwijst naar het percentage bariumtitanaat nanocomposieten in de centrale laag, laat zien dat bij 150 graden C, SSN-x heeft in wezen dezelfde laad-ontlaad-energie als BOPP bij zijn typische bedrijfstemperatuur van 70 graden C. Echter, SSN-x heeft meerdere malen de energiedichtheid van BOPP, waardoor SSN-x zeer de voorkeur verdient voor elektrische voertuigen en ruimtevaarttoepassingen als energieopslagapparaat vanwege de mogelijkheid om de omvang en het gewicht van de elektronica aanzienlijk te verminderen en tegelijkertijd de systeemprestaties en stabiliteit te verbeteren. De eliminatie van omvangrijke en dure koelapparatuur die nodig is voor BOPP is een extra bonus.

"Onze volgende stap is om met een bedrijf of met meer middelen samen te werken om verwerkbaarheidsstudies te doen om te zien of het materiaal op grotere schaal tegen redelijke kosten kan worden geproduceerd, " zegt Wang. "We hebben de prestaties van de materialen in het laboratorium aangetoond. We ontwikkelen een aantal state-of-the-art materialen in samenwerking met onze theorie-collega Long-Qing Chen op onze afdeling. Omdat we te maken hebben met een driedimensionale ruimte, het is niet alleen het selecteren van de materialen, maar hoe we de materialen met meerdere nanogroottes op specifieke locaties organiseren. Theorie helpt ons om materialen op een rationele manier te ontwerpen."