En ny, lätt kompositmaterial för energilagring i flexibel elektronik, elektriska fordon och rymdtillämpningar har experimentellt visat sig lagra energi vid driftstemperaturer långt över nuvarande kommersiella polymerer, enligt ett team av Penn State-forskare. Denna polymerbaserade, ultratunt material kan tillverkas med tekniker som redan används inom industrin.

"Detta är en del av en serie arbeten vi har gjort i vårt labb med högtemperaturdielektrik för användning i kondensatorer, sa Qing Wang, professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Innan detta arbete hade vi utvecklat en komposit av bornitrid nanoskivor och dielektriska polymerer, men insåg att det fanns betydande problem med att skala upp materialet ekonomiskt."

Skalbarhet – eller att tillverka avancerade material i kommersiellt relevanta mängder för enheter – har varit den avgörande utmaningen för många av de nya, tvådimensionella material som utvecklas i akademiska labb.

"Ur ett mjukt materialperspektiv, 2D-material är fascinerande, men hur man massproducerar dem är en fråga, " sa Wang. "Pluss att kunna kombinera dem med polymera material är en nyckelfunktion för framtida flexibla elektronikapplikationer och elektroniska enheter."

För att lösa det här problemet, Wangs labb samarbetade med en grupp i Penn State som arbetade i tvådimensionella kristaller.

"Detta arbete skapades i samtal mellan min doktorand, Amin Azizi, och doktor Wangs doktorand, Matthew Gadinski, sa Nasim Alem, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och fakultetsmedlem i Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials. "Detta är det första robusta experimentet där ett mjukt polymermaterial och ett hårt 2D-kristallint material har gått samman för att skapa en funktionell dielektrisk enhet."

Azizi, nu postdoktor vid University of California—Berkeley, och Gadinski, nu senior ingenjör på DOW Chemical, utvecklat en teknik som använder kemisk ångavsättning för att göra flerskikt, sexkantiga bor-nitrid-nanokristallfilmer och överför filmerna till båda sidor av en polyeterimidfilm (PEI). De band sedan samman filmerna med hjälp av tryck till en trelagers sandwichstruktur. I ett resultat som var överraskande för forskarna, enbart tryck, utan någon kemisk bindning, räckte för att göra en fristående film tillräckligt stark för att potentiellt kunna tillverkas i en process med hög genomströmning från rulle till rulle.

Resultaten rapporterades i ett färskt nummer av tidskriften Avancerade material i en artikel med titeln "Högpresterande polymerer som är sammansatta med kemiska ångavsatta hexagonala bornitrider som skalbara dielektriska material med hög temperatur."

Hexagonal bornitrid är ett material med brett bandgap med hög mekanisk hållfasthet. Dess breda bandgap gör den till en bra isolator och skyddar PEI-filmen från dielektriskt genombrott vid höga temperaturer, orsaken till fel i andra polymerkondensatorer. Vid driftstemperaturer över 176 grader Fahrenheit, de nuvarande bästa kommersiella polymererna börjar tappa effektivitet, men hexagonal-bor-nitrid-belagd PEI kan arbeta med hög effektivitet vid över 392 grader Fahrenheit. Även vid höga temperaturer, den belagda PEI förblev stabil i över 55, 000 laddnings-urladdningscykler i testning.

"Teoretiskt sett, alla dessa högpresterande polymerer som är så kommersiellt värdefulla kan beläggas med boron-nanoskivor för att blockera laddningsinjektion, " Wang sa. "Jag tror att detta kommer att göra denna teknik genomförbar för framtida kommersialisering."

Alem lade till, "Det finns många enheter gjorda med 2D-kristaller i laboratorieskala, men defekter gör dem till ett problem för tillverkningen. Med ett material med stort bandgap som bornitrid, den gör ett bra jobb trots små mikrostrukturella egenskaper som kanske inte är idealiska."

Beräkningar av de första principerna fastställde att elektronbarriären, etablerade vid gränsytan mellan PEI/hexagonal bornitridstrukturen och metallelektroderna som appliceras på strukturen för att leverera, strömmen är betydligt högre än typiska metallelektrod-dielektriska polymerkontakter, vilket gör det svårare för laddningar från elektroden att injiceras i filmen. Detta arbete gjordes av den teoretiska forskargruppen Long-Qing Chen, Donald W. Hamer professor i materialvetenskap och teknik, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, och matematik, Penn State.