Energilagringsmålet för ett polymert dielektriskt material med hög energitäthet, hög effekttäthet och utmärkt laddnings-urladdningseffektivitet för användning av el- och hybridfordon har uppnåtts av ett team av Penn State materialforskare. Nyckeln är en unik tredimensionell sandwichliknande struktur som skyddar det täta elektriska fältet i polymer/keramkompositen från dielektriskt nedbrytning. Deras resultat publiceras idag (22 augusti) i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Polymerer är idealiska för energilagring för transport på grund av sin låga vikt, skalbarhet och hög dielektrisk styrka, säger Qing Wang, professor i materialvetenskap och teknik och teamledaren. "Dock, den befintliga kommersiella polymeren som används i hybrid- och elfordon, kallas BOPP, klarar inte de höga driftstemperaturerna utan betydande extra kylutrustning. Detta ökar vikten och kostnaden för fordonen."

Forskarna var tvungna att övervinna två problem för att nå sitt mål. I normala tvådimensionella polymerfilmer som BOPP, öka dielektricitetskonstanten, styrkan av det elektriska fältet, står i konflikt med stabilitet och laddnings-urladdningseffektivitet. Ju starkare fältet är, desto mer sannolikt är det att ett material läcker energi i form av värme. Penn State-forskarna anföll ursprungligen detta problem genom att blanda olika material samtidigt som de försökte balansera konkurrerande egenskaper i en tvådimensionell form. Även om detta ökade energikapaciteten, de fann att filmen bröts ner vid höga temperaturer när elektroner flydde från elektroderna och injicerades i polymeren, vilket gjorde att en elektrisk ström bildades.

"Det är därför vi utvecklade den här smörgåsstrukturen, " Wang säger. "Vi har de övre och nedre lagren som blockerar laddningsinjektion från elektroderna. Sedan i det centrala lagret kan vi lägga allt keramiskt/polymerfyllmaterial med hög dielektrisk konstant som förbättrar energi- och effekttätheten."

De yttre lagren, består av bornitrid nanoskivor i en polymermatris, är utmärkta isolatorer, medan det centrala skiktet är ett material med hög dielektricitetskonstant som kallas bariumtitanat.

"Vi visar att vi kan använda detta material vid hög temperatur i 24 timmar i sträck över mer än 30, 000 cykler och det visar ingen nedbrytning, " säger Wang.

Jämförelse med BOPP

En jämförelse av BOPP och sandwichstrukturen nanokomposit, kallas SSN-x, där x hänvisar till procentandelen bariumtitanat nanokompositer i det centrala lagret, visar att vid 150 grader C, SSN-x har i huvudsak samma laddnings-urladdningsenergi som BOPP vid den typiska driftstemperaturen på 70 grader C. SSN-x har flera gånger energitätheten av BOPP, vilket gör SSN-x mycket att föredra för elfordon och flygtillämpningar som en energilagringsenhet på grund av förmågan att minska storleken och vikten på elektroniken avsevärt samtidigt som systemets prestanda och stabilitet förbättras. Elimineringen av skrymmande och dyr kylutrustning som krävs för BOPP är en extra bonus.

"Vårt nästa steg är att arbeta med ett företag eller med mer resurser för att göra bearbetningsstudier för att se om materialet kan produceras i större skala till en rimlig kostnad, " säger Wang. "Vi har visat materialprestanda i labbet. Vi utvecklar ett antal toppmoderna material tillsammans med vår teorikollega Long-Qing Chen på vår avdelning. Eftersom vi har att göra med ett tredimensionellt utrymme, det är inte bara att välja material, men hur vi organiserar material i flera nanostorlekar på specifika platser. Teori hjälper oss att designa material på ett rationellt sätt."