Ingenjörer och materialvetare har försökt utveckla allt mer avancerade enheter för att möta elektronikindustrins växande behov. Dessa enheter inkluderar elektrostatiska kondensatorer, enheter som kan lagra elektrisk energi i ett dielektrikum mellan ett par elektroder genom ackumulering av elektrisk laddning på de dielektriska ytorna.
Dessa kondensatorer är avgörande komponenter i olika tekniker, inklusive elfordon och solceller (PV). De tillverkas ofta med polymerer som dielektriska material, syntetiska ämnen som består av stora organiska molekyler med god inneboende flexibilitet och isolerande egenskaper.
Forskare vid Tsinghua University och andra institut i Kina introducerade nyligen en ny strategi för att tillverka polymerkompositer fyllda med subnanoskivor som uppvisar mycket fördelaktiga egenskaper. Deras föreslagna metod, som beskrivs i en Nature Energy papper, tillät dem att tillverka en 100 meter lång rulle av en polymerbaserad subnanokompositfilm.
"Vi har uppmärksammat polymerbaserade subnanokompositer i flera år, i samarbete med professor Xun Wang, från Tsinghua Universitys avdelning för kemi", säger Yang Shen, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Vår forskning [fokuserar] på kapacitiv energilagring av polymerdielektrik, vilket kräver hög polarisation, motståndskraft mot nedbrytning och undertryckande av laddningsmigrering, särskilt vid höga temperaturer."
Subnanomaterial är material med minst en dimension under 1 nm i längd. Dessa material kan ha olika former och former, såsom subnanowires, subnanosheets och subnanobelts. Tidigare studier har funnit att subnanomaterial kan uppvisa olika nya egenskaper och egenskaper, vilket gör dem till lovande fyllmedel för kompositdielektrika.
"För det första, tack vare deras jämförbara storlekar med polymerkedjor, det vill säga 1 nm, visar subnanomaterial stor flexibilitet, vilket innebär att de kan justera sina former för att eliminera gränsytans tomrum och slå samman ett tätt gränssnitt i kompositer," förklarade Shen. "Dessutom har subnanomaterial ett ytatomförhållande på nästan 100 % och extremt stor specifik yta, vilket ger upphov till mycket mer anmärkningsvärda gränssnittsfenomen än nanofyllmedel, såsom laddningsfångning och nedbrytningsväg som hindrar."
Polyoxometalat (POM)-baserade subnanomaterial tillverkas vanligtvis genom att montera POM-kluster i en eller två dimensioner. Den unika strukturen som resulterar av denna process gör att dessa material kan fånga och lagra många elektroner via en reaktion som kallas metallkatjonreduktion, vilket ger ett alternativt och lovande tillvägagångssätt för att omvandla elektrisk energi i dielektriska enheter.
"Under de senaste åren har vi försökt använda subnanomaterial som fyllmedel och studerat polymerbaserade subnanokompositer," sa Shen. "Inledningsvis fokuserade vi på subnanowires och har hittat den oväntade förbättringen av polarisering. I det här senaste arbetet riktade vi vår uppmärksamhet mot subnanosheets och en avsevärd förbättring av nedbrytningsstyrkan betonades."
Forskarna har försökt tillverka högkvalitativa polymera subnanokompositer ett tag nu, eftersom de först var tvungna att övervinna flera tekniska hinder. Först var de tvungna att identifiera lämpliga lösningsmedel för att syntetisera materialen.
"De rätta lösningsmedlen för polymerer och subnanomaterial är helt olika, d.v.s. N,N-dimetylformamid (DMF) eller N-metylpyrrolidon (NMP) för förstnämnda respektive kloroform eller cyklohexan för senare", sa Shen.
"I början valde vi kloroform som lösningsmedel, men dess låga kokpunkt och snabba avdunstning gjorde lösningsgjutningsprocessen av kompositfilm mycket svår. Vi vände oss sedan till DMF/NMP och stötte på den felaktiga distributionen av subnanomaterial i dem."
För att övervinna de utmaningar de stötte på när de använde DMF/NMP-lösningsmedel använde forskarna olika dispergeringsprocesser, såsom kraftig omrörning och ultraljudsbehandling av material. Detta gjorde det till slut möjligt för dem att säkerställa att subnanomaterialen var jämnt fördelade i sina filmer.
Till slut kunde Shen och hans kollegor realisera högkvalitativa subnanokompositer med ett fyllmedelsinnehåll under 1 viktprocent och fann att detta var tillräckligt för att avsevärt förbättra deras materials dielektriska prestanda, vilket möjliggör en ultrahög Ud på 7,2 J cm − 3 med en laddnings-urladdningseffektivitet på 90 % och laddnings-urladdningscykelstabilitet upp till 5 × 10 5 cykler vid 200 °C.
"Till skillnad från traditionella nanokompositer har våra subnanokompositer fortfarande utmärkt flexibilitet, vilket antyder dess breda utsikter för industriell roll-to-roll-tillverkning och tillämpning med flera konfigurationer," sa Shen. "Dessutom har subnanomaterial visat sig ha förbättrande effekter i många vanliga värmebeständiga polymerer, vilket ytterligare bekräftar dess allmängiltighet i kapacitiv energilagring."
Som en del av sin studie kunde forskarna tillverka en 100 meter lång rulle av en subnanokompositfilm med hjälp av lösningsgjututrustning byggd i deras laboratorium. Anmärkningsvärt nog verkar deras tillverkningsmetod vara lätt att skala upp och skulle därmed kunna möjliggöra kontinuerlig tillverkning av subnanokompositer från rulle till rulle.
"När det gäller traditionell nanokompositdielektrikum, på grund av det höga innehållet av styva oorganiska nanofyllmedel, finns det flera defekter och tomrum vid gränssnittet," sa Shen.
"Under rull-till-rulle-tillverkningen kommer dessa gränssnittsdefekter att bilda mikrosprickor, som i hög grad försämrar flexibiliteten och hindrar industriell tillverkning av dessa nanokompositfilmer. Däremot bibehåller våra subnanokompositer stor flexibilitet och har täta gränssnitt på grund av den inneboende flexibiliteten och god gränssnittskompatibilitet med polymerer av subnanomaterial."
Shen och hans kollegor fann att den 100 meter långa polymer-oorganiska subnanokompositen de producerade uppvisade stabil energilagringsprestanda och pålitliga egenskaper. I framtiden hoppas de att deras föreslagna metoder kommer att möjliggöra storskalig tillverkning av subnanokomposit dielektriska material, vilket skulle kunna underlätta deras integration i olika enheter.
I sina nästa studier planerar forskarna att fortsätta att utforska tillverkningen av polymer-oorganiska subnanokompositmaterial för energilagringskondensatorer. Förutom att ytterligare förbättra prestandan för subnanokompositer hoppas de kunna förenkla produktionen allt mer.
"Å ena sidan kommer vi att fortsätta att utforska interaktionen mellan polymerer och oorganiska fyllmedel i subnanoskala och visa dess inverkan på kapacitiv energilagring," tillade Shen.
"Det har visat sig att de subnano-oorganiska materialen uppvisar utmärkt strukturell kompatibilitet och liknande skala som polymerkedjor, vilket inspirerar oss att introducera kemiska bindningar mellan dem och bilda hybriddielektriken utan gränssnitt. Å andra sidan hoppas vi också kunna främja deras massproduktion och tillämpning. i filmkondensatorer."
"Även om subnanokomposit visade sig lovande för rull-till-rulle kontinuerlig tillverkning av dielektrisk film, finns det fortfarande många hinder för oss att övervinna, såsom höga kostnader för råmaterial och tidskrävande syntes av subnanomaterial."
Mer information: Minzheng Yang et al, Roll-to-roll-tillverkade polymerkompositer fyllda med subnanosheets som uppvisar hög energitäthet och cyklisk stabilitet vid 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3
Journalinformation: Naturenergi
© 2024 Science X Network
