L'obiettivo di accumulo di energia di un materiale dielettrico polimerico ad alta densità di energia, l'elevata densità di potenza e l'eccellente efficienza di carica-scarica per l'uso di veicoli elettrici e ibridi sono stati raggiunti da un team di scienziati dei materiali della Penn State. La chiave è un'esclusiva struttura tridimensionale a sandwich che protegge il denso campo elettrico nel composito polimero/ceramica dalla rottura dielettrica. I loro risultati sono pubblicati oggi (22 agosto) nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

"I polimeri sono ideali per l'immagazzinamento di energia per il trasporto grazie al loro peso ridotto, scalabilità ed elevata rigidità dielettrica, "dice Qing Wang, professore di scienze e ingegneria dei materiali e capogruppo. "Però, il polimero commerciale esistente utilizzato nei veicoli ibridi ed elettrici, chiamato BOPP, non può resistere alle elevate temperature di esercizio senza un notevole equipaggiamento di raffreddamento aggiuntivo. Questo si aggiunge al peso e alla spesa dei veicoli".

I ricercatori hanno dovuto superare due problemi per raggiungere il loro obiettivo. Nei normali film polimerici bidimensionali come BOPP, aumentando la costante dielettrica, l'intensità del campo elettrico, è in conflitto con la stabilità e l'efficienza di carica-scarica. Più forte è il campo, più è probabile che un materiale perda energia sotto forma di calore. I ricercatori della Penn State hanno inizialmente affrontato questo problema mescolando materiali diversi mentre cercavano di bilanciare le proprietà concorrenti in una forma bidimensionale. Mentre questo aumentava la capacità energetica, hanno scoperto che il film si è rotto ad alte temperature quando gli elettroni sono sfuggiti agli elettrodi e sono stati iniettati nel polimero, che ha provocato la formazione di una corrente elettrica.

"Ecco perché abbiamo sviluppato questa struttura a sandwich, " Wang dice. "Abbiamo gli strati superiore e inferiore che bloccano l'iniezione di carica dagli elettrodi. Quindi nello strato centrale possiamo mettere tutto il materiale di riempimento ceramico/polimero ad alta costante dielettrica che migliora l'energia e la densità di potenza".

Gli strati esterni, composto da nanofogli di nitruro di boro in una matrice polimerica, sono ottimi isolanti, mentre lo strato centrale è un materiale ad alta costante dielettrica chiamato titanato di bario.

"Dimostriamo che possiamo far funzionare questo materiale ad alta temperatura per 24 ore consecutive per più di 30, 000 cicli e non mostra alcun degrado, " dice Wang.

Confronto con BOPP

Un confronto tra BOPP e il nanocomposito a struttura sandwich, denominato SSN-x, in cui la x si riferisce alla percentuale di nanocompositi di titanato di bario nello strato centrale, mostra che a 150 gradi C, SSN-x ha essenzialmente la stessa energia di carica-scarica del BOPP alla sua temperatura operativa tipica di 70 gradi C. Tuttavia, SSN-x ha diverse volte la densità di energia di BOPP, che rende SSN-x altamente preferibile per veicoli elettrici e applicazioni aerospaziali come dispositivo di accumulo di energia grazie alla capacità di ridurre significativamente le dimensioni e il peso dell'elettronica, migliorando le prestazioni e la stabilità del sistema. L'eliminazione di apparecchiature di raffreddamento ingombranti e costose necessarie per BOPP è un ulteriore vantaggio.

"Il nostro prossimo passo è lavorare con un'azienda o con più risorse per fare studi di processabilità per vedere se il materiale può essere prodotto su larga scala a un costo ragionevole, " dice Wang. "Abbiamo dimostrato le prestazioni dei materiali in laboratorio. Stiamo sviluppando una serie di materiali all'avanguardia lavorando con il nostro collega di teoria Long-Qing Chen nel nostro dipartimento. Poiché si tratta di uno spazio tridimensionale, non si tratta solo di selezionare i materiali, ma come organizziamo i molteplici materiali di dimensioni nanometriche in luoghi specifici. La teoria ci aiuta a progettare i materiali in modo razionale".