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新开发3D复合材料可耐受电动车内高温环境

时间:2016-09-02 作者:Julien Happich 阅读:
透过阻挡来自电极的电荷注入,这种独特的3D形状三明治结构,能有效地保护聚合物/陶瓷复合材料内的高密度电场不被电介质击穿…
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美国宾州大学(Penn State University)的研究人员发现了一种方法,能避免高密度超级电容器的电介质(dielectric)被击穿或是泄漏,特别是将超级电容应用于混合动力/电动车辆等超高温环境;同时还能提升超级电容的能量密度。

现有的混合动力/电动车辆超级电容解决方案,通常是以双向拉伸聚丙烯(Biaxially Oriented Polypropylene,BOPP)材料为基础,这种材料若没有加装额外的冷却装置,无法耐受车辆内部的高温运作环境;为此研究人员在设法增加该种聚合物的介电常数(dielectric constant)之余,又希望能降低其能量会透过热的形式散失的特性。

为了达成目标,研究团队开发了一种3D形状的三明治结构,最顶层与最底层能阻挡来自电极的电贺注入,中央层则是由高介电常数陶瓷/聚合物薄膜材料混合而成;外部层是在聚合物基体中包含了氮化硼(boron nitride)纳米薄片,可以扮演良好的绝缘体,绑住由钛酸钡(barium titanate)制作的中央层。

透过阻挡来自电极的电荷注入,这种独特的3D形状三明治结构,能有效地保护聚合物/陶瓷复合材料内的高密度电场不被电介质击穿;根据宾州大学研究团队所发表的论文,这种解决方案能让超级电容在高温环境下连续运作24小时,充放电循环可超过3万次而性能不坠。
20160901 PennState NT02P1
*氮化硼纳米薄片(蓝色与白色的原子)可做绝缘体,保护钛酸钡中央层(绿色与紫色原子)在高温环境中的运作
(来源:Wang Lab/Penn State)*

与BOPP相较,新的三明治纳米复合材料架构──命名为SSN-x,其中x是根据钛酸钡纳米复合材料在中央层所占的比例──展现了相同的充放电能量,而运作温度可达到150℃;BOPP材料只能达到70℃的运作温度。

研究人员强调,新的SSN-x材料的能量密度是BoPP的数倍,使其成为电动车甚至航天应用的理想选择,因为在这些应用中的超级电容会为了要在高温环境下稳定运作,而使得能量储存性能大幅下降。此外,这种复合材料不会发热,能不必使用笨重且昂贵的冷却设备。

目前宾州大学的研究人员正在寻找产业合作伙伴,以进行制造技术方面的研究,并厘清新材料如何能达到大规模生产的竞争力。

编译:Judith Cheng

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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