p O objetivo de armazenamento de energia de um material dielétrico de polímero com alta densidade de energia, alta densidade de potência e excelente eficiência de carga e descarga para uso em veículos elétricos e híbridos foram obtidas por uma equipe de cientistas de materiais da Penn State. A chave é uma estrutura tridimensional única em forma de sanduíche que protege o campo elétrico denso no composto de polímero / cerâmica da quebra dielétrica. Seus resultados são publicados hoje (22 de agosto) no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) p "Os polímeros são ideais para armazenamento de energia para transporte devido ao seu peso leve, escalabilidade e alta rigidez dielétrica, "diz Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais e líder da equipe. "Contudo, o polímero comercial existente usado em veículos híbridos e elétricos, chamado BOPP, não pode suportar as altas temperaturas de operação sem um considerável equipamento de resfriamento adicional. Isso aumenta o peso e as despesas dos veículos. "

p Os pesquisadores tiveram que superar dois problemas para atingir seu objetivo. Em filmes de polímero bidimensionais normais, como BOPP, aumentando a constante dielétrica, a força do campo elétrico, está em conflito com a estabilidade e eficiência de carga-descarga. Quanto mais forte o campo, é mais provável que um material vaze energia na forma de calor. Os pesquisadores da Penn State originalmente atacaram esse problema misturando diferentes materiais enquanto tentavam equilibrar propriedades concorrentes em uma forma bidimensional. Embora isso tenha aumentado a capacidade de energia, eles descobriram que o filme se quebrou em altas temperaturas quando os elétrons escaparam dos eletrodos e foram injetados no polímero, que causou a formação de uma corrente elétrica.

p “É por isso que desenvolvemos esta estrutura em sanduíche, "Diz Wang." Temos as camadas superior e inferior que bloqueiam a injeção de carga dos eletrodos. Então, na camada central, podemos colocar todo o material de enchimento de cerâmica / polímero de alta constante dielétrica que melhora a energia e a densidade de potência. "

p As camadas externas, composto de nanofolhas de nitreto de boro em uma matriz de polímero, são excelentes isolantes, enquanto a camada central é um material de alta constante dielétrica chamado titanato de bário.

p "Mostramos que podemos operar esse material em alta temperatura por 24 horas seguidas por mais de 30, 000 ciclos e não apresenta degradação, "Wang diz.

p Comparação com BOPP

p Uma comparação de BOPP e o nanocompósito de estrutura em sanduíche, denominado SSN-x, em que ox se refere à porcentagem de nanocompósitos de titanato de bário na camada central, mostra que a 150 graus C, SSN-x tem essencialmente a mesma energia de carga e descarga que o BOPP em sua temperatura operacional típica de 70 graus C. No entanto, SSN-x tem várias vezes a densidade de energia do BOPP, o que torna o SSN-x altamente preferível para veículos elétricos e aplicações aeroespaciais como um dispositivo de armazenamento de energia devido à capacidade de reduzir significativamente o tamanho e o peso dos componentes eletrônicos, melhorando o desempenho e a estabilidade do sistema. A eliminação de equipamentos de resfriamento volumosos e caros necessários para o BOPP é um bônus adicional.

p “Nosso próximo passo é trabalhar com uma empresa ou com mais recursos para fazer estudos de processabilidade para ver se o material pode ser produzido em maior escala a um custo razoável, "Diz Wang." Demonstramos o desempenho dos materiais no laboratório. Estamos desenvolvendo vários materiais de última geração, trabalhando com nosso colega de teoria Long-Qing Chen em nosso departamento. Porque estamos lidando com um espaço tridimensional, não é apenas selecionar os materiais, mas como organizamos os vários materiais nanométricos em locais específicos. A teoria nos ajuda a projetar materiais de forma racional. "