Engenheiros e cientistas de materiais têm tentado desenvolver dispositivos cada vez mais avançados, para atender às crescentes necessidades da indústria eletrônica. Esses dispositivos incluem capacitores eletrostáticos, dispositivos que podem armazenar energia elétrica em um dielétrico entre um par de eletrodos através do acúmulo de carga elétrica nas superfícies dielétricas.



Esses capacitores são componentes cruciais de várias tecnologias, incluindo veículos elétricos e energia fotovoltaica (PV). Muitas vezes são fabricados utilizando polímeros como materiais dielétricos, substâncias sintéticas compostas de grandes moléculas orgânicas com boa flexibilidade intrínseca e propriedades isolantes.

Pesquisadores da Universidade Tsinghua e de outros institutos na China introduziram recentemente uma nova estratégia para fabricar compósitos poliméricos preenchidos com subnanofolhas exibindo propriedades altamente vantajosas. O método proposto, descrito em um artigo Nature Energy papel, permitiu-lhes fabricar um rolo de 100 metros de comprimento de um filme subnanocompósito à base de polímero.

"Há anos que prestamos atenção aos subnanocompósitos baseados em polímeros, em cooperação com o professor Xun Wang, do Departamento de Química da Universidade de Tsinghua", disse Yang Shen, coautor do artigo, ao Phys.org. "Nossa pesquisa [se concentra] no armazenamento de energia capacitiva de dielétricos poliméricos, que requer alta polarização, resistência à ruptura e supressão da migração de carga, especialmente em altas temperaturas."

Subnanomateriais são materiais com pelo menos uma dimensão inferior a 1 nm de comprimento. Esses materiais podem assumir vários formatos e formatos, como subnanofios, subnanofolhas e subnanocintos. Estudos anteriores descobriram que os subnanomateriais podem exibir várias características e propriedades novas, o que os torna enchimentos promissores para dielétricos compósitos.

“Primeiro, graças aos seus tamanhos comparáveis ​​às cadeias poliméricas, ou seja, 1 nm, os subnanomateriais apresentam grande flexibilidade, o que significa que podem ajustar as suas formas para eliminar os vazios interfaciais e fundir uma interface densa nos compósitos”, explicou Shen. "Além disso, os subnanomateriais têm uma proporção de átomos de superfície de quase 100% e uma área de superfície específica ultragrande, que dá origem a fenômenos interfaciais muito mais notáveis ​​do que nanocargas, como aprisionamento de carga e impedimento do caminho de ruptura."

Subnanomateriais baseados em polioxometalato (POM) são normalmente fabricados pela montagem de clusters POM em uma ou duas dimensões. A estrutura única resultante deste processo permite que estes materiais capturem e armazenem muitos elétrons através de uma reação conhecida como redução de cátions metálicos, proporcionando assim uma abordagem alternativa e promissora para converter energia elétrica em dispositivos dielétricos.

"Nos últimos anos, tentamos empregar subnanomateriais como cargas e estudamos subnanocompósitos à base de polímeros", disse Shen. "Inicialmente, nos concentramos em subnanofios e descobrimos o aumento inesperado da polarização. Neste trabalho recente, voltamos nossa atenção para subnanofolhas e uma melhoria substancial na resistência à ruptura foi enfatizada."

Os pesquisadores já há algum tempo tentam fabricar subnanocompósitos poliméricos de alta qualidade, pois primeiro tiveram que superar vários obstáculos técnicos. Primeiro, eles tiveram que identificar solventes adequados para sintetizar os materiais.

“Os solventes adequados para polímeros e subnanomateriais são totalmente diferentes, ou seja, N,N-Dimetilformamida (DMF) ou N-Metilpirrolidona (NMP) para o primeiro e clorofórmio ou ciclohexano para o último, respectivamente”, disse Shen.

"No início, escolhemos o clorofórmio como solvente, mas seu baixo ponto de ebulição e rápida evaporação dificultaram muito o processo de fundição da solução do filme compósito. Em seguida, recorremos ao DMF/NMP e encontramos a distribuição inadequada de subnanomateriais neles."

Para superar os desafios encontrados ao usar solventes DMF/NMP, os pesquisadores empregaram vários processos de dispersão, como agitação vigorosa e tratamento ultrassônico de materiais. Em última análise, isso permitiu-lhes garantir que os subnanomateriais estivessem uniformemente dispersos em seus filmes.

Por fim, Shen e seus colegas conseguiram produzir subnanocompósitos de alta qualidade com um teor de carga abaixo de 1% em peso e descobriram que isso era suficiente para melhorar significativamente o desempenho dielétrico de seus materiais, permitindo um U_d ultra-alto. de 7,2 J cm ^{− 3} com eficiência de carga-descarga de 90% e estabilidade do ciclo de carga-descarga de até 5 × 10 ⁵ ciclos a 200°C.

"Diferentemente dos nanocompósitos tradicionais, nossos subnanocompósitos ainda apresentam excelente flexibilidade, o que sugere suas amplas perspectivas para fabricação industrial rolo a rolo e aplicação com múltiplas configurações", disse Shen. "Além disso, foi comprovado que os subnanomateriais têm efeitos melhoradores em muitos polímeros comuns resistentes ao calor, confirmando ainda mais sua generalidade no armazenamento de energia capacitiva."

Como parte de seu estudo, os pesquisadores conseguiram fabricar um rolo de filme subnanocompósito de 100 metros de comprimento usando equipamento de fundição de solução construído em seu laboratório. Notavelmente, seu método de fabricação parece fácil de aumentar e poderia, assim, permitir a fabricação contínua rolo a rolo de subnanocompósitos.

"Quanto aos dielétricos nanocompósitos tradicionais, devido ao alto teor de nanocargas inorgânicas rígidas, existem vários defeitos e vazios na interface", disse Shen.

"Durante a fabricação rolo a rolo, esses defeitos interfaciais formarão microfissuras, que deterioram em grande parte a flexibilidade e dificultam a fabricação industrial desses filmes nanocompósitos. Em contraste, nossos subnanocompósitos mantêm grande flexibilidade e possuem interface densa devido à flexibilidade intrínseca e boa compatibilidade interfacial com polímeros de subnanomateriais."

Shen e seus colegas descobriram que o subnanocompósito polimérico-inorgânico de 100 metros de comprimento que eles produziram exibia desempenho estável de armazenamento de energia e propriedades confiáveis. No futuro, eles esperam que os métodos propostos permitam a fabricação em larga escala de materiais dielétricos subnanocompósitos, o que poderá facilitar a sua integração em vários dispositivos.

Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam continuar explorando a fabricação de materiais subnanocompósitos inorgânicos poliméricos para capacitores de armazenamento de energia. Além de melhorar ainda mais o desempenho dos subnanocompósitos, esperam simplificar cada vez mais a sua produção.

“Por um lado, continuaremos a explorar a interação entre polímeros e cargas inorgânicas em subnanoescala e a demonstrar seu impacto no armazenamento capacitivo de energia”, acrescentou Shen.

"Descobriu-se que os subnanoinorgânicos apresentam excelente compatibilidade estrutural e escala semelhante às cadeias poliméricas, inspirando-nos a introduzir ligações químicas entre eles e formar os dielétricos híbridos sem interface. Por outro lado, também esperamos promover a sua produção em massa e aplicação em capacitores de filme."

"Embora o subnanocompósito tenha se mostrado promissor para a fabricação contínua rolo a rolo de filme dielétrico, ainda existem muitos obstáculos a serem superados, como o alto custo das matérias-primas e a demorada síntese de subnanomateriais."

Mais informações: Minzheng Yang et al, Compósitos poliméricos fabricados rolo a rolo preenchidos com subnanofolhas exibindo alta densidade de energia e estabilidade cíclica a 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3
Informações do diário: Energia da Natureza

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