Um novo, material composto leve para armazenamento de energia em eletrônica flexível, veículos elétricos e aplicações aeroespaciais demonstraram experimentalmente que armazenam energia em temperaturas operacionais bem acima dos polímeros comerciais atuais, de acordo com uma equipe de cientistas da Penn State. Este polímero, o material ultrafino pode ser produzido usando técnicas já utilizadas na indústria.

"Isso é parte de uma série de trabalhos que fizemos em nosso laboratório em dielétricos de alta temperatura para uso em capacitores, "disse Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. "Antes deste trabalho, desenvolvemos um composto de nanofolhas de nitreto de boro e polímeros dielétricos, mas percebi que havia problemas significativos com o aumento econômico desse material. "

Escalabilidade - ou fazer materiais avançados em quantidades comercialmente relevantes para dispositivos - tem sido o desafio definitivo para muitos dos novos, materiais bidimensionais sendo desenvolvidos em laboratórios acadêmicos.

"De uma perspectiva de materiais macios, Os materiais 2D são fascinantes, mas como produzi-los em massa é uma questão, "Disse Wang." Além disso, ser capaz de combiná-los com materiais poliméricos é uma característica chave para futuras aplicações eletrônicas flexíveis e dispositivos eletrônicos. "

Para resolver este problema, O laboratório de Wang colaborou com um grupo da Penn State trabalhando com cristais bidimensionais.

“Este trabalho foi concebido em conversas entre o meu aluno de pós-graduação, Amin Azizi, e o aluno de pós-graduação do Dr. Wang, Matthew Gadinski, "disse Nasim Alem, professor assistente de ciência e engenharia de materiais e membro do corpo docente do Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials. "Este é o primeiro experimento robusto no qual um material polimérico macio e um material cristalino 2D rígido se juntaram para criar um dispositivo dielétrico funcional."

Azizi, agora um pós-doutorado na Universidade da Califórnia - Berkeley, e Gadinski, agora um engenheiro sênior da DOW Chemical, desenvolveu uma técnica usando deposição de vapor químico para fazer multicamadas, filmes de nanocristais hexagonais de nitreto de boro e transferem os filmes para ambos os lados de um filme de polieterimida (PEI). Em seguida, eles uniram os filmes usando pressão em uma estrutura de sanduíche de três camadas. Em um resultado que surpreendeu os pesquisadores, pressão sozinho, sem qualquer ligação química, foi o suficiente para fazer um filme independente forte o suficiente para ser potencialmente fabricado em um processo roll-to-roll de alto rendimento.

Os resultados foram relatados em uma edição recente da revista. Materiais avançados em um artigo intitulado "Polímeros de alto desempenho imprensados ​​com nitretos de boro hexagonais depositados por vapor químico como materiais dielétricos escaláveis ​​de alta temperatura."

O nitreto de boro hexagonal é um material de banda larga com alta resistência mecânica. Sua ampla lacuna de banda torna-o um bom isolante e protege o filme PEI da ruptura dielétrica em altas temperaturas, o motivo da falha em outros capacitores de polímero. Em temperaturas operacionais acima de 176 graus Fahrenheit, os melhores polímeros comerciais atuais começam a perder eficiência, mas o PEI revestido com nitreto de boro hexagonal pode operar em alta eficiência a mais de 392 graus Fahrenheit. Mesmo em altas temperaturas, o PEI revestido permaneceu estável por mais de 55, 000 ciclos de carga-descarga em teste.

"Teoricamente, todos esses polímeros de alto desempenho que são tão valiosos comercialmente podem ser revestidos com nanofolhas de boro para bloquear a injeção de carga, "Disse Wang." Acho que isso tornará essa tecnologia viável para comercialização futura. "

Alem adicionado, “Existem muitos dispositivos feitos com cristais 2D em escala de laboratório, mas os defeitos os tornam um problema de fabricação. Com um grande material de lacuna de banda, como nitreto de boro, ele faz um bom trabalho, apesar dos pequenos recursos microestruturais que podem não ser ideais. "

Cálculos de primeiros princípios determinaram que a barreira de elétrons, estabelecido na interface da estrutura PEI / nitreto de boro hexagonal e os eletrodos de metal aplicados à estrutura para entregar, a corrente é significativamente mais alta do que os contatos típicos de eletrodo dielétrico de polímero de metal, tornando mais difícil para as cargas do eletrodo serem injetadas no filme. Este trabalho foi realizado pelo grupo de pesquisa teórica de Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, professor de ciências da engenharia e mecânica, e matemática, Estado de Penn.