Los ingenieros y científicos de materiales han estado intentando desarrollar dispositivos cada vez más avanzados para satisfacer las crecientes necesidades de la industria electrónica. Estos dispositivos incluyen condensadores electrostáticos, dispositivos que pueden almacenar energía eléctrica en un dieléctrico entre un par de electrodos mediante la acumulación de carga eléctrica en las superficies dieléctricas.
Estos condensadores son componentes cruciales de diversas tecnologías, incluidos los vehículos eléctricos y la energía fotovoltaica (PV). A menudo se fabrican utilizando polímeros como materiales dieléctricos, sustancias sintéticas formadas por grandes moléculas orgánicas con buena flexibilidad intrínseca y propiedades aislantes.
Investigadores de la Universidad de Tsinghua y otros institutos de China introdujeron recientemente una nueva estrategia para fabricar compuestos poliméricos rellenos de subnanoláminas que exhiben propiedades muy ventajosas. Su método propuesto, descrito en un Nature Energy papel, les permitió fabricar un rollo de 100 metros de largo de una película subnanocompuesta a base de polímero.
"Hemos prestado atención a los subnanocompuestos basados en polímeros durante años, en cooperación con el profesor Xun Wang, del Departamento de Química de la Universidad de Tsinghua", dijo a Phys.org Yang Shen, coautor del artículo. "Nuestra investigación [se centra] en el almacenamiento de energía capacitivo de dieléctricos poliméricos, que requiere una alta polarización, resistencia a la ruptura y supresión de la migración de carga, especialmente a altas temperaturas".
Los subnanomateriales son materiales con al menos una dimensión inferior a 1 nm de longitud. Estos materiales pueden adoptar diversas formas, como subnanocables, subnanoláminas y subnanocinturones. Estudios anteriores han descubierto que los subnanomateriales pueden exhibir varias características y propiedades novedosas, lo que los convierte en rellenos prometedores para dieléctricos compuestos.
"En primer lugar, gracias a sus tamaños comparables a las cadenas de polímeros, es decir, 1 nm, los subnanomateriales muestran una gran flexibilidad, lo que significa que pueden ajustar sus formas para eliminar los huecos interfaciales y fusionar una interfaz densa en compuestos", explicó Shen. "Además, los subnanomateriales tienen una proporción de átomos en la superficie de casi el 100 % y una superficie específica ultragrande, lo que da lugar a fenómenos interfaciales mucho más notables que los nanorellenos, como la captura de carga y la obstaculización de la ruta de descomposición".
Los subnanomateriales a base de polioxometalato (POM) generalmente se fabrican ensamblando grupos de POM en una o dos dimensiones. La estructura única resultante de este proceso permite que estos materiales capturen y almacenen muchos electrones mediante una reacción conocida como reducción de cationes metálicos, lo que proporciona un enfoque alternativo y prometedor para convertir energía eléctrica en dispositivos dieléctricos.
"En los últimos años, hemos intentado emplear subnanomateriales como rellenos y hemos estudiado subnanocompuestos basados en polímeros", dijo Shen. "Inicialmente, nos centramos en los subnanocables y descubrimos una mejora inesperada de la polarización. En este trabajo reciente, centramos nuestra atención en las subnanoláminas y se destacó una mejora sustancial de la resistencia a la rotura".
Los investigadores llevan algún tiempo intentando fabricar subnanocompuestos poliméricos de alta calidad, ya que primero tuvieron que superar varios obstáculos técnicos. Primero, tuvieron que identificar disolventes adecuados para sintetizar los materiales.
"Los disolventes adecuados para polímeros y subnanomateriales son totalmente diferentes, es decir, N,N-dimetilformamida (DMF) o N-metilpirrolidona (NMP) para el primero y cloroformo o ciclohexano para el segundo, respectivamente", dijo Shen.
"Al principio, elegimos cloroformo como disolvente, pero su bajo punto de ebullición y su rápida evaporación dificultaron mucho el proceso de fundición de la película compuesta. Luego recurrimos a DMF/NMP y encontramos una distribución inadecuada de subnanomateriales en ellos". /P>
Para superar los desafíos que encontraron al usar solventes DMF/NMP, los investigadores emplearon varios procesos de dispersión, como agitación vigorosa y tratamiento ultrasónico de materiales. En última instancia, esto les permitió asegurarse de que los subnanomateriales estuvieran dispersos uniformemente en sus películas.
Finalmente, Shen y sus colegas pudieron crear subnanocompuestos de alta calidad con un contenido de relleno inferior al 1% en peso y descubrieron que esto era suficiente para mejorar significativamente el rendimiento dieléctrico de sus materiales, permitiendo un Ud ultraalto. de 7,2 J cm − 3 con una eficiencia de carga-descarga del 90% y una estabilidad del ciclo de carga-descarga de hasta 5 × 10 5 ciclos a 200 °C.
"A diferencia de los nanocompuestos tradicionales, nuestros subnanocompuestos todavía tienen una flexibilidad excelente, lo que sugiere sus amplias perspectivas para la fabricación industrial rollo a rollo y su aplicación con múltiples configuraciones", dijo Shen. "Además, se ha demostrado que los subnanomateriales tienen efectos mejorados en muchos polímeros resistentes al calor comunes, lo que confirma aún más su generalidad en el almacenamiento de energía capacitivo".
Como parte de su estudio, los investigadores pudieron fabricar un rollo de 100 metros de largo de una película subnanocompuesta utilizando un equipo de fundición en solución construido en su laboratorio. Sorprendentemente, su método de fabricación parece fácil de ampliar y, por tanto, podría permitir la fabricación continua rollo a rollo de subnanocompuestos.
"En cuanto a los dieléctricos nanocompuestos tradicionales, debido al alto contenido de nanorellenos inorgánicos rígidos, hay varios defectos y huecos en la interfaz", dijo Shen.
"Durante la fabricación rollo a rollo, estos defectos interfaciales formarán microgrietas, que deterioran en gran medida la flexibilidad y dificultan la fabricación industrial de estas películas nanocompuestas. Por el contrario, nuestros subnanocompuestos mantienen una gran flexibilidad y tienen una interfaz densa debido a la flexibilidad intrínseca y buena compatibilidad interfacial con polímeros de subnanomateriales."
Shen y sus colegas descubrieron que el subnanocompuesto polimérico-inorgánico de 100 metros de largo que produjeron exhibía un rendimiento estable de almacenamiento de energía y propiedades confiables. En el futuro, esperan que los métodos propuestos permitan la fabricación a gran escala de materiales dieléctricos subnanocompuestos, lo que podría facilitar su integración en varios dispositivos.
En sus próximos estudios, los investigadores planean continuar explorando la fabricación de materiales subnanocompuestos poliméricos-inorgánicos para condensadores de almacenamiento de energía. Además de mejorar aún más el rendimiento de los subnanocompuestos, esperan simplificar cada vez más su producción.
"Por un lado, continuaremos explorando la interacción entre polímeros y rellenos inorgánicos a escala subnano y demostraremos su impacto en el almacenamiento de energía capacitivo", añadió Shen.
"Se ha descubierto que los subnanoinorgánicos exhiben una excelente compatibilidad estructural y una escala similar a la de las cadenas de polímeros, lo que nos inspira a introducir enlaces químicos entre ellos y formar dieléctricos híbridos sin interfaz. Por otro lado, también esperamos promover su producción y aplicación en masa. en condensadores de película."
"Aunque los subnanocompuestos se mostraron prometedores para la fabricación continua rollo a rollo de películas dieléctricas, todavía nos quedan muchos obstáculos que superar, como el alto coste de las materias primas y la síntesis de subnanomateriales que requiere mucho tiempo".
Más información: Minzheng Yang et al, Compuestos poliméricos fabricados rollo a rollo rellenos de subnanoláminas que exhiben alta densidad de energía y estabilidad cíclica a 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3
Información de la revista: Energía de la naturaleza
© 2024 Red Ciencia X
