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宾夕法尼亚大学研究新型薄膜材料可改善电容储能

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-06-11

  这种叫做SSN-x的夹层复合材料,不但可以在高温下使用,而且介电常数很高,能将电池储能技术带上一个新高度。

  随着电动汽车市场的快速发展,更短的充电时间,更长的续航里程对动力电池提出了挑战。在续航里程方面,需要有高储能能力的装置,而功率密度和能量密度无疑是两个重量级因素。超级电容在储能方面有着自己的优势。

  不过现在的超级电容却有一个缺点:其所使用的BOPP隔膜(一种双向高分子聚合物),并不能工作在高温条件下,尤其对于汽车这种应用环境,必须要有额外的制冷设备。这一问题也导致汽车的重量及制造成本的增加。

  最近来自宾夕法尼亚大学的研究表明:由高分子聚合物和陶瓷合成的新型复合材料,可能有助于解决这个问题。

  之前的研究主要集中在由纳米陶瓷和高分子聚合物合成的双向薄膜复合材料。虽然该复合材料能够抵抗较高的工作温度,并且实现较好的充放电效率,但是也存在一个明显的缺点:介电常数较低,或者在外加电场下易于发生分解。这会使电池的能量密度低到不能接受的地步。

  目前,宾夕法尼亚大学的研究人员正在开发一种称之为SSN-x的夹层复合材料,这种材料不但可以在高温下使用,而且介电常数很高,研究院人员将他们的发现发表在了8月22号的《美国国家科学院院刊》上。

  氮化硼纳米片(蓝色和白色原子)充当绝缘体,能够在高温能量存储中保护处于中层的硝酸钡(绿色和紫色原子)

  SSN-X夹层的外层是由c—BCB聚合物基质上的氮化硼纳米片合成的材料。外层这种复合材料充当着绝缘体的角色,阻止了从电容装置的电极进行充电。由于外层材料的性质,科学家专注于调整由钛酸钡纳米粒子和c-BCB合成的中心层材料配方,使其中心层材料具有高的介电常数。夹层结构和中心层配方的调整极大提高了SSN-X夹层复合材料的能量密度和功率密度。

  宾夕法尼亚州立大学的材料科学家兼首席研究员王庆说到,“以前,人们只专注于双向薄膜材料,并通过调整其材料成分来改变材料特性,现在我们把目光放在了三向结构,这为我们调整材料成分和优化材料性能提供了更大空间。”

  在实验中研究人员发现,SSN-x复合材料可以在150°C条件下工作,(这个实验温度足以让它经受得住电动汽车工作温度的考验)实验中,SSN-x复合材料经受住了24小时,并且多达30,000多次的连续充放电考验,并没有发生充放电退化迹象。在高温条件下,从能量密度,功率密度,充放电效率,材料分解前的充放电次数来讲,SSN-X复合材料的性能要远远优于最先进的高分析聚合物。

  “目前,我们希望这种材料可以以经济的成本进行大批量生产”,王庆说道,同时也希望和电子工程以及系统工程师一起探究将这种材料有效集成到混合动力和纯电动汽车上的方法”。

  BOPP:BOPP是“Biaxially Oriented Polypropylene”的简称,即双向拉伸聚丙烯薄膜。它的生产是将高分子聚丙烯的熔体首先通过狭长机头制成片材或厚膜,然后在专用的拉伸机内,在一定的温度和设定的速度下,同时或分步在垂直的两个方向(纵向、横向)上进行的拉伸,并经过适当的冷却或热处理或特殊的加工(如电晕、涂覆等)制成的薄膜。

  介电常数:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与介质中电场的比值即为相对

  (本文是车云「翻译官成长计划」作品,原文来自 IEEE ,编译/ 陈诚)

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