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一種結合了聚合物和納米薄膜的儲能方案

2017-08-03 13:28:18

 

據賓夕法尼亞州立大學(xué)的一組研究人員稱(chēng),一種新型的輕質(zhì)復合材料可在柔性電子設備、電動(dòng)汽車(chē)和航空航天應用中的儲能方面有所應用,在可適應的高溫度運行狀態(tài),遠遠高于目前的商用聚合物。這種基于聚合物的超薄材料可以使用已經(jīng)可在工業(yè)中使用相應的技術(shù)生產(chǎn)。
 
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授QingWang說(shuō):“這是我們在電容器用高溫電介質(zhì)實(shí)驗室所做的一系列工作的一部分。在此之前的工作,我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種氮化硼納米片和介電聚合物的復合材料,但意識到要實(shí)現規模經(jīng)濟還存在尺度的問(wèn)題。”
 
可擴展性或在商業(yè)上相關(guān)設備上制造先進(jìn)材料一直是學(xué)術(shù)實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的許多新的二維材料所面臨的挑戰。
 
“從軟材料的角度來(lái)看,2D材料是迷人的,但如何大規模生產(chǎn)它們是一個(gè)問(wèn)題,”Wang說(shuō)。此外,能夠將它們與聚合材料結合起來(lái)是未來(lái)柔性電子應用和電子設備的一個(gè)關(guān)鍵特性。”
 
為了解決這個(gè)問(wèn)題,實(shí)驗室與賓夕法尼亞州立大學(xué)的一個(gè)小組合作,進(jìn)行二維晶體的相關(guān)研究。
 
“這項工作是在一次和研究生的談話(huà)中確立的,研究生是Amin Azizi,Wang的研究生Matthew Gadinski,”Nasim Alem說(shuō),他是賓州大學(xué)材料科學(xué)與工程,二維材料中心的一名助理教授。“這是第一個(gè)強大的實(shí)驗,其中軟聚合物材料結合硬2D晶體材料一起來(lái)創(chuàng )建一個(gè)功能性的介電設備。”
 
Azizi現在是加利福尼亞大學(xué)的博士后研究員,而Gadinski現在在陶氏化學(xué)公司的高級工程師,它們開(kāi)發(fā)了一種技術(shù),能夠利用化學(xué)氣相沉積使多層六方氮化硼納米晶薄膜和薄膜轉移到聚醚酰亞胺(PEI)膜兩側。他們用壓力把三層三明治結構材料粘合在一起。研究人員感到驚訝的是,僅僅是壓力,沒(méi)有任何化學(xué)鍵,就足以使一個(gè)獨立的薄膜強大到足以在高通量滾裝過(guò)程中加以制造。
 
這一結果發(fā)表在最近一期的《先進(jìn)材料》雜志上,該論文名為“高性能聚合物,夾有化學(xué)氣相沉積的六方氮化硼作為可擴展的高溫介電材料。”
 
六方氮化硼是一種具有高機械強度的寬帶隙材料。它的寬帶隙使它成為良好的絕緣體,保護PEI薄膜在高溫下不發(fā)生介質(zhì)擊穿,這也是其他聚合物電容器失效的原因。在超過(guò)176華氏度的工作溫度下,目前最好的商用聚合物就開(kāi)始失去效率,但六方氮化硼包覆PEI可以在392華氏度下高效率地工作。即使在高溫下,涂層PEI在55000次充放電循環(huán)中仍保持穩定。
 
“從理論上講,所有這些聚合物表現出的高性能,都具有很高的商業(yè)價(jià)值,可涂覆一層硼材料阻止電荷注入,”王說(shuō)。“我認為這將使這項技術(shù)在未來(lái)商業(yè)化中可行。”
 
Alem說(shuō),“利用二維晶體制作的設備在實(shí)驗室中很多,但缺陷使他們存在制造問(wèn)題。有一個(gè)大的帶隙材料,如氮化硼,它做得很好,盡管小的微觀(guān)結構的功能可能并不理想。
 
第一性原理計算確定了電子屏障,在PEI/六方氮化硼的結構和界面的金屬電極應用于結構提供的電流明顯高于典型的金屬電極的介電聚合物的接觸形式,使它更難利用電極注入實(shí)現充電。這項工作是由賓州大學(xué)材料科學(xué)與工程的Long-Qing Chen教授和Donald W. Hamer教授的研究小組研究完成。

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