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储能解决方案结合了聚合物-纳米片

发布时间:2019-01-28 15:13:08 来源:

据宾夕法尼亚州立大学的科学家团队称,一种用于柔性电子,电动汽车和航空航天应用中能量存储的新型轻质复合材料已经通过实验证明能够在远高于目前商业聚合物的工作温度下储存能量。这种基于聚合物的超薄材料可以使用工业中已经使用的技术生产。

“这是我们在实验室中用于电容器的高温电介质的一系列工作的一部分,”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授王庆说。“在这项工作之前,我们开发了一种氮化硼纳米片和介电聚合物的复合材料,但意识到在材料上经济地扩展存在重大问题。”

可扩展性 - 或者为设备制作商业相关数量的高级材料 - 一直是学术实验室开发的许多新的二维材料的决定性挑战。

“从软材料的角度来看,2D材料很吸引人,但如何大规模生产它们是一个问题,”王说。“另外,能够将它们与聚合物材料结合起来是未来柔性电子应用和电子设备的关键特性。”

为了解决这个问题,Wang的实验室与宾夕法尼亚州的一个小组合作,从事二维晶体研究。

“这项工作是在我的研究生Amin Azizi与王博士的研究生Matthew Gadinski之间的对话中构思出来的,”宾夕法尼亚州立大学二维和中心教材的材料科学与工程助理教授Nasim Alem说。分层材料。“这是第一个坚固的实验,其中软聚合物材料和硬质2D晶体材料结合在一起,形成功能性介电器件。”

Azizi现在是加州大学伯克利分校的博士后研究员,Gadinski现在是DOW Chemical的高级工程师,他开发了一种利用化学气相沉积技术制造多层六方氮化硼纳米晶体薄膜并将薄膜转移到两者的技术。聚醚酰亚胺(PEI)薄膜的侧面。接下来,他们使用压力将薄膜粘合在一起形成三层夹层结构。在研究人员感到惊讶的结果中,单独的压力,没有任何化学键合,足以使自立式薄膜足够强大,可以在高通量的卷对卷工艺中制造。

结果报告在最新一期的问题,先进材料在一篇题为“用化学气相沉积六方氮化硼作为夹在中间可伸缩高温介质材料的高性能聚合物。”

六方氮化硼是一种具有高机械强度的宽带隙材料。其宽带隙使其成为良好的绝缘体并保护PEI薄膜免受高温下的介电击穿,这是其他聚合物电容器失效的原因。在高于176华氏度的工作温度下,目前最好的商业聚合物开始失去效率,但六角形氮化硼涂层的PEI可以在超过392华氏度的高效率下运行。即使在高温下,涂覆的PEI在测试中仍保持稳定超过55,000次充放电循环。

“从理论上讲,所有这些具有商业价值的高性能聚合物都可以用硼纳米片涂覆,以阻止电荷注入,”王说。“我认为这将使这项技术可用于未来的商业化。”

Alem补充说:“在实验室规模上有许多用2D晶体制造的器件,但是缺陷使它们成为制造上的问题。使用像氮化硼这样的大带隙材料,尽管可能不是微小的微观结构特征,但它确实做得很好。理想。”

第一性原理计算确定在PEI /六方氮化硼结构界面处建立的电子势垒与施加到结构上的金属电极相比,电流明显高于典型的金属电极 - 电介质聚合物触点,使其更多来自电极的电荷难以注入薄膜中。这项工作由陈龙清,唐纳德W.哈默材料科学与工程教授,工程科学与力学教授,宾夕法尼亚州数学等理论研究小组完成。

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