El objetivo de almacenamiento de energía de un material dieléctrico polimérico con alta densidad de energía, Un equipo de científicos de materiales de Penn State ha logrado una alta densidad de potencia y una excelente eficiencia de carga y descarga para el uso de vehículos eléctricos e híbridos. La clave es una estructura tridimensional única similar a un sándwich que protege el denso campo eléctrico en el compuesto de polímero / cerámica de la ruptura dieléctrica. Sus resultados se publican hoy (22 de agosto) en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

"Los polímeros son ideales para el almacenamiento de energía para el transporte debido a su peso ligero, escalabilidad y alta rigidez dieléctrica, "dice Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y líder del equipo. "Sin embargo, el polímero comercial existente utilizado en vehículos híbridos y eléctricos, llamado BOPP, no puede soportar las altas temperaturas de funcionamiento sin un considerable equipo de refrigeración adicional. Esto se suma al peso y al costo de los vehículos ".

Los investigadores tuvieron que superar dos problemas para lograr su objetivo. En películas de polímeros bidimensionales normales como BOPP, aumentando la constante dieléctrica, la fuerza del campo eléctrico, está en conflicto con la estabilidad y la eficiencia de carga-descarga. Cuanto más fuerte sea el campo, es más probable que un material pierda energía en forma de calor. Los investigadores de Penn State originalmente atacaron este problema mezclando diferentes materiales mientras trataban de equilibrar propiedades en competencia en una forma bidimensional. Si bien esto aumentó la capacidad energética, encontraron que la película se rompía a altas temperaturas cuando los electrones escapaban de los electrodos y se inyectaban en el polímero, lo que provocó la formación de una corriente eléctrica.

"Por eso desarrollamos esta estructura de sándwich, ", Dice Wang." Tenemos las capas superior e inferior que bloquean la inyección de carga de los electrodos. Luego, en la capa central podemos poner todo el material de relleno de polímero / cerámica de alta constante dieléctrica que mejora la densidad de energía y potencia ".

Las capas externas compuesto por nanohojas de nitruro de boro en una matriz de polímero, son excelentes aislantes, mientras que la capa central es un material de alta constante dieléctrica llamado titanato de bario.

"Demostramos que podemos operar este material a alta temperatura durante 24 horas seguidas durante más de 30, 000 ciclos y no muestra degradación, "Dice Wang.

Comparación con BOPP

Una comparación de BOPP y el nanocompuesto de estructura sándwich, denominado SSN-x, en el que la x se refiere al porcentaje de nanocompuestos de titanato de bario en la capa central, muestra que a 150 grados C, SSN-x tiene esencialmente la misma energía de carga-descarga que BOPP a su temperatura de funcionamiento típica de 70 grados C. Sin embargo, SSN-x tiene varias veces la densidad de energía de BOPP, lo que hace que SSN-x sea altamente preferible para vehículos eléctricos y aplicaciones aeroespaciales como dispositivo de almacenamiento de energía debido a la capacidad de reducir significativamente el tamaño y el peso de los componentes electrónicos al tiempo que mejora el rendimiento y la estabilidad del sistema. La eliminación de equipos de enfriamiento voluminosos y costosos requeridos para BOPP es una ventaja adicional.

"Nuestro siguiente paso es trabajar con una empresa o con más recursos para realizar estudios de procesabilidad para ver si el material se puede producir a mayor escala a un costo razonable, ", Dice Wang." Hemos demostrado el rendimiento de los materiales en el laboratorio. Estamos desarrollando una serie de materiales de última generación en colaboración con nuestro colega teórico Long-Qing Chen en nuestro departamento. Debido a que estamos tratando con un espacio tridimensional, no se trata solo de seleccionar los materiales, sino cómo organizamos los múltiples materiales nanométricos en ubicaciones específicas. La teoría nos ayuda a diseñar materiales de manera racional ".