Wetenschap
PEI gecoat met hexagonale boornitride (hBN) nanosheets presteert aanzienlijk beter dan concurrerende polymeren bij bedrijfstemperaturen die nodig zijn voor elektrische voertuigen en energietoepassingen in de ruimtevaart. Krediet:Feihua Liu / Penn State
een nieuwe, lichtgewicht composietmateriaal voor energieopslag in flexibele elektronica, Van elektrische voertuigen en ruimtevaarttoepassingen is experimenteel aangetoond dat ze energie opslaan bij bedrijfstemperaturen die ver boven de huidige commerciële polymeren liggen, volgens een team van wetenschappers van Penn State. Dit op polymeer gebaseerde, ultradun materiaal kan worden geproduceerd met behulp van technieken die al in de industrie worden gebruikt.
"Dit maakt deel uit van een reeks werk dat we in ons laboratorium hebben gedaan aan diëlektrica voor hoge temperaturen voor gebruik in condensatoren, " zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Voorafgaand aan dit werk hadden we een composiet van boornitride nanosheets en diëlektrische polymeren ontwikkeld, maar realiseerde zich dat er aanzienlijke problemen waren met het economisch opschalen van dat materiaal."
Schaalbaarheid - of het maken van geavanceerde materialen in commercieel relevante hoeveelheden voor apparaten - was de bepalende uitdaging voor veel van de nieuwe, tweedimensionale materialen die worden ontwikkeld in academische laboratoria.
"Vanuit het oogpunt van zachte materialen, 2D-materialen zijn fascinerend, maar hoe je ze massaal kunt produceren is een vraag, " zei Wang. "Bovendien, het kunnen combineren met polymere materialen is een belangrijk kenmerk voor toekomstige flexibele elektronicatoepassingen en elektronische apparaten."
Om dit probleem op te lossen, Wang's lab werkte samen met een groep in Penn State die in tweedimensionale kristallen werkte.
"Dit werk is tot stand gekomen in gesprekken tussen mijn afstudeerstudent, Amin Aziz, en de afgestudeerde student van Dr. Wang, Matthew Gadinski, " zei Nasim Alem, assistent-professor materiaalwetenschap en techniek en een faculteitslid in Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials. "Dit is het eerste robuuste experiment waarin een zacht polymeer materiaal en een hard 2D kristallijn materiaal zijn samengekomen om een functioneel diëlektrisch apparaat te creëren."
Aziz, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië-Berkeley, en Gadinski, nu senior engineer bij DOW Chemical, ontwikkelde een techniek met behulp van chemische dampafzetting om meerlaagse, hexagonale boor-nitride nanokristalfilms en breng de films over naar beide zijden van een polyetherimide (PEI) film. Vervolgens bonden ze de films aan elkaar met behulp van druk tot een drielaagse sandwichstructuur. In een resultaat dat verrassend was voor de onderzoekers, alleen druk, zonder enige chemische binding, was genoeg om een vrijstaande film te maken die sterk genoeg was om mogelijk te worden vervaardigd in een roll-to-roll-proces met hoge doorvoer.
De resultaten werden gerapporteerd in een recent nummer van het tijdschrift Geavanceerde materialen in een paper getiteld "High-performance polymeren ingeklemd met door chemische damp gedeponeerde zeshoekige boornitrides als schaalbare diëlektrische materialen bij hoge temperatuur."
Zeshoekig boornitride is een materiaal met een brede bandgap en een hoge mechanische sterkte. De brede bandafstand maakt het een goede isolator en beschermt de PEI-film tegen diëlektrische doorslag bij hoge temperaturen, de reden voor het falen in andere polymeercondensatoren. Bij bedrijfstemperaturen boven 176 graden Fahrenheit, de huidige beste commerciële polymeren beginnen hun efficiëntie te verliezen, maar met hexagonaal boornitride gecoate PEI kan met een hoog rendement werken bij meer dan 392 graden Fahrenheit. Zelfs bij hoge temperaturen, de gecoate PEI bleef meer dan 55 jaar stabiel, 000 laad-ontlaadcycli tijdens het testen.
"Theoretisch, al deze hoogwaardige polymeren die zo commercieel waardevol zijn, kunnen worden gecoat met boor-nanobladen om ladingsinjectie te blokkeren, " zei Wang. "Ik denk dat dit deze technologie haalbaar zal maken voor toekomstige commercialisering."
Alem heeft toegevoegd, "Er zijn veel apparaten gemaakt met 2D-kristallen op laboratoriumschaal, maar gebreken maken ze een probleem voor de productie. Met een materiaal met een grote bandgap zoals boornitride, het doet goed werk ondanks kleine microstructurele kenmerken die misschien niet ideaal zijn."
Eerste-principeberekeningen bepaalden dat de elektronenbarrière, vastgesteld op het grensvlak van de PEI/hexagonale boornitride-structuur en de metalen elektroden die op de te leveren structuur zijn aangebracht, stroom is aanzienlijk hoger dan typische metalen elektrode-diëlektrische polymeercontacten, waardoor het moeilijker wordt om ladingen van de elektrode in de film te injecteren. Dit werk werd gedaan door de theoretische onderzoeksgroep van Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Hoogleraar Materials Science and Engineering, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, en wiskunde, Penn State.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com