Un nuevo material compuesto ligero para almacenamiento de energía en electrónica flexible, Se ha demostrado experimentalmente que los vehículos eléctricos y las aplicaciones aeroespaciales almacenan energía a temperaturas de funcionamiento muy por encima de los polímeros comerciales actuales. según un equipo de científicos de Penn State. Este polímero, El material ultrafino se puede producir utilizando técnicas ya utilizadas en la industria.

"Esto es parte de una serie de trabajos que hemos realizado en nuestro laboratorio sobre dieléctricos de alta temperatura para su uso en condensadores, "dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "Antes de este trabajo, habíamos desarrollado un compuesto de nanohojas de nitruro de boro y polímeros dieléctricos, pero me di cuenta de que había problemas importantes con la ampliación económica de ese material ".

La escalabilidad, o la fabricación de materiales avanzados en cantidades comercialmente relevantes para dispositivos, ha sido el desafío definitivo para muchos de los nuevos, materiales bidimensionales que se están desarrollando en laboratorios académicos.

"Desde la perspectiva de los materiales blandos, Los materiales 2D son fascinantes, pero cómo producirlos en masa es una cuestión, "Dijo Wang." Además, poder combinarlos con materiales poliméricos es una característica clave para futuras aplicaciones de electrónica flexible y dispositivos electrónicos ".

Para resolver este problema, El laboratorio de Wang colaboró ​​con un grupo de Penn State que trabajaba en cristales bidimensionales.

"Este trabajo fue concebido en conversaciones entre mi estudiante de posgrado, Amin Azizi, y el estudiante de posgrado del Dr. Wang, Matthew Gadinski, "dijo Nasim Alem, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y miembro de la facultad en el Centro de Penn State para materiales bidimensionales y en capas. "Este es el primer experimento sólido en el que un material polimérico blando y un material cristalino 2D duro se han unido para crear un dispositivo dieléctrico funcional".

Azizi, ahora un becario postdoctoral en la Universidad de California — Berkeley, y Gadinski, ahora ingeniero senior en DOW Chemical, desarrolló una técnica que utiliza la deposición química de vapor para hacer multicapa, películas de nanocristales de nitruro de boro hexagonales y transferir las películas a ambos lados de una película de polieterimida (PEI). A continuación, unieron las películas mediante presión en una estructura de sándwich de tres capas. En un resultado que sorprendió a los investigadores, presión sola, sin ningún enlace químico, era suficiente para hacer una película independiente lo suficientemente fuerte como para ser fabricada potencialmente en un proceso de rollo a rollo de alto rendimiento.

Los resultados se informaron en un número reciente de la revista. Materiales avanzados en un artículo titulado "Polímeros de alto rendimiento intercalados con nitruros de boro hexagonales depositados en vapor químico como materiales dieléctricos escalables de alta temperatura".

El nitruro de boro hexagonal es un material de banda ancha con alta resistencia mecánica. Su amplia banda prohibida lo convierte en un buen aislante y protege la película de PEI de la ruptura dieléctrica a altas temperaturas. la razón de la falla en otros condensadores de polímero. A temperaturas de funcionamiento superiores a 176 grados Fahrenheit, los mejores polímeros comerciales actuales empiezan a perder eficacia, pero el PEI recubierto de nitruro de boro hexagonal puede operar con alta eficiencia a más de 392 grados Fahrenheit. Incluso a altas temperaturas, el PEI recubierto permaneció estable durante más de 55 años, 000 ciclos de carga-descarga en prueba.

"Teóricamente, Todos estos polímeros de alto rendimiento que son tan valiosos comercialmente pueden recubrirse con nanohojas de boro para bloquear la inyección de carga. ", Dijo Wang." Creo que esto hará que esta tecnología sea factible para la comercialización futura ".

Alem agregado, "Hay muchos dispositivos hechos con cristales 2D a escala de laboratorio, pero los defectos los convierten en un problema de fabricación. Con un material de banda ancha grande como nitruro de boro, hace un buen trabajo a pesar de las pequeñas características microestructurales que pueden no ser ideales ".

Los cálculos de los primeros principios determinaron que la barrera de electrones, establecido en la interfaz de PEI / estructura hexagonal de nitruro de boro y los electrodos metálicos aplicados a la estructura para entregar, la corriente es significativamente más alta que los contactos típicos de electrodo de metal-polímero dieléctrico, lo que dificulta la inyección de cargas del electrodo en la película. Este trabajo fue realizado por el grupo de investigación teórica de Long-Qing Chen, Donald W. Hamer, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, profesor de ingeniería y mecánica, y matemáticas, Penn State.