El objetivo de un material dieléctrico de polímero con alta densidad de energía, alta densidad de potencia y excelente eficiencia de carga y descarga para el uso de vehículos eléctricos e híbridos ha sido logrado por un equipo de científicos de materiales de Penn State. La clave es un emparedado tridimensional únicosimilar a la estructura que protege el campo eléctrico denso en el compuesto de polímero / cerámica de la descomposición dieléctrica. Sus resultados se publican en el Actas 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 resistencia dieléctrica", dice Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y líder del equipo. "Sin embargo, el polímero comercial existente utilizado en híbridos ylos vehículos eléctricos, llamados BOPP, no pueden soportar las altas temperaturas de operación sin un equipo de enfriamiento adicional considerable. Esto aumenta el peso y el gasto de los vehículos ".
Los investigadores tuvieron que superar dos problemas para lograr su objetivo. En las películas de polímeros bidimensionales normales como BOPP, aumentar la constante dieléctrica, la fuerza del campo eléctrico, está en conflicto con la estabilidad y la eficiencia de carga y descarga.En el campo, lo más probable es que un material pierda energía en forma de calor. Los investigadores de Penn State atacaron originalmente este problema al mezclar diferentes materiales al tratar de equilibrar las propiedades de la competencia en una forma bidimensional. Si bien esto aumentó la capacidad de energía,descubrieron que la película se rompió a altas temperaturas cuando los electrones escaparon de los electrodos y se inyectaron en el polímero, lo que provocó la formación de una corriente eléctrica.
"Es por eso que desarrollamos esta estructura sandwich", dice Wang. "Tenemos las capas superior e inferior que bloquean la inyección de carga de los electrodos. Luego, en la capa central podemos colocar todo el material de relleno de cerámica / polímero de alta constante dieléctricaeso mejora la energía y la densidad de potencia "
Las capas externas, compuestas de nanohojas de nitruro de boro en una matriz polimérica, son excelentes aislantes. Mientras que la capa central es un material de alta constante dieléctrica llamado titanato de bario.
"Mostramos 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 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 carga-descargue energía como 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 un dispositivo de almacenamiento de energía debido a la capacidadpara reducir el tamaño y el peso de la electrónica de manera significativa al tiempo que mejora el rendimiento y la estabilidad del sistema. La eliminación de equipos de enfriamiento voluminosos y costosos necesarios 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 ellaboratorio. Estamos desarrollando una serie de materiales de vanguardia trabajando 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 de cómoorganizamos los múltiples materiales de tamaño nanométrico en ubicaciones específicas. La teoría nos ayuda a diseñar materiales de manera racional ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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