«Полимеры идеальны для аккумулирования энергии для транспортировки из-за их легкого веса, масштабируемости и высокой диэлектрической силы», говорит Цин Ван, преподаватель материаловедения и разработки и руководителя группы. «Однако существующий коммерческий полимер, используемый в гибридных автомобилях и электромобилях, названных BOPP, не может противостоять высоким рабочим температурам без значительного дополнительного оборудования для охлаждения. Это добавляет к весу и расходу транспортных средств».Исследователи должны были преодолеть две проблемы достигнуть их цели.
В нормальных двумерных фильмах полимера, таких как BOPP, увеличивая диэлектрическую константу, силу электрического поля, находится в конфликте с эффективностью выброса обвинения и стабильностью. Чем выше область, тем более вероятно материал должен пропустить энергию в форме тепла.
Исследователи Государственного университета Пенсильвании первоначально принялись за решение этой проблемы, смешав различные материалы, пытаясь уравновесить конкурирующие свойства в двумерной форме. В то время как это увеличило энергетическую способность, они нашли, что фильм сломался при высоких температурах, когда электроны избежали электродов и были введены в полимер, который заставил электрический ток формироваться.
«Вот почему мы развивали эту структуру сэндвича», говорит Ван. «У нас есть вершина и нижние слои, которые блокируют инъекцию обвинения от электродов. Тогда в центральном слое мы можем поместить весь высокий диэлектрический постоянный керамический существенный наполнитель / наполнитель полимера, существенный, который улучшает энергию и плотность энергии».Внешние слои, состоявшие из нанолистов нитрида бора в матрице полимера, являются превосходными изоляторами. В то время как центральный слой – высокий диэлектрический постоянный материал, названный титанатом бария.
«Мы показываем, что можем управлять этим материалом при высокой температуре в течение 24 часов прямо больше чем по 30 000 циклов, и это не показывает деградации», говорит Ван.Сравнение с BOPPСравнение BOPP и наносоединения структуры сэндвича, которое называют SSN-x, в котором x относится к проценту наносоединений титаната бария в центральном слое, показывает, что на уровне 150 градусов по Цельсию, у SSN-x есть по существу та же самая энергия выброса обвинения как BOPP в нем типичная рабочая температура 70 градусов по Цельсию.
Однако у SSN-x несколько раз есть плотность энергии BOPP, который делает SSN-x очень предпочтительный для электромобиля и космических заявлений как устройство аккумулирования энергии из-за способности уменьшить размер и вес электроники значительно, улучшая производительность системы и стабильность. Устранение большого и дорогого оборудования для охлаждения, требуемого для BOPP, является дополнительной премией.«Наш следующий шаг должен работать с компанией или с большим количеством ресурсов, чтобы сделать исследования обрабатываемости, чтобы видеть, может ли материал быть произведен в более широком масштабе по разумной стоимости», говорит Ван. «Мы продемонстрировали работу материалов в лаборатории.
Мы развиваем много современных материалов, работающих с нашим коллегой теории Длинный-Qing Чен в нашем отделе. Поскольку мы имеем дело с трехмерным пространством, оно только выбирает материалы, но как мы организуем многократные наноразмерные материалы в определенных местоположениях.
Теория помогает нам проектировать материалы рациональным способом».