Ingegneri e scienziati dei materiali hanno cercato di sviluppare dispositivi sempre più avanzati, per soddisfare le crescenti esigenze dell'industria elettronica. Questi dispositivi includono condensatori elettrostatici, dispositivi in grado di immagazzinare energia elettrica in un dielettrico tra una coppia di elettrodi attraverso l'accumulo di carica elettrica sulle superfici dielettriche.
Questi condensatori sono componenti cruciali di varie tecnologie, compresi i veicoli elettrici e il fotovoltaico (PV). Sono spesso fabbricati utilizzando polimeri come materiali dielettrici, sostanze sintetiche costituite da grandi molecole organiche con buona flessibilità intrinseca e proprietà isolanti.
I ricercatori della Tsinghua University e di altri istituti in Cina hanno recentemente introdotto una nuova strategia per fabbricare compositi polimerici riempiti con subnanofogli che presentano proprietà altamente vantaggiose. Il loro metodo proposto, delineato in un Nature Energy carta, ha permesso loro di fabbricare un rotolo lungo 100 metri di una pellicola subnanocomposita a base polimerica.
"Abbiamo prestato attenzione ai subnanocompositi a base di polimeri per anni, in collaborazione con il professor Xun Wang, del Dipartimento di Chimica dell'Università di Tsinghua", ha detto a Phys.org Yang Shen, coautore dell'articolo. "La nostra ricerca [si concentra] sullo stoccaggio capacitivo dell'energia dei dielettrici polimerici, che richiede elevata polarizzazione, resistenza alla rottura e soppressione della migrazione della carica soprattutto ad alte temperature."
I subnanomateriali sono materiali con almeno una dimensione inferiore a 1 nm di lunghezza. Questi materiali possono assumere varie forme e forme, come subnanofili, subnanofogli e subnanocinture. Studi precedenti hanno scoperto che i subnanomateriali possono presentare varie nuove caratteristiche e proprietà, che li rendono promettenti riempitivi per dielettrici compositi.
"In primo luogo, grazie alle loro dimensioni paragonabili alle catene polimeriche, ovvero 1 nm, i subnanomateriali mostrano una grande flessibilità, il che significa che possono adattare le loro forme per eliminare i vuoti interfacciali e unire un'interfaccia densa nei compositi", ha spiegato Shen. "Inoltre, i subnanomateriali hanno un rapporto atomico superficiale di quasi il 100% e un'area superficiale specifica estremamente ampia, che danno origine a fenomeni interfacciali molto più notevoli rispetto ai nanoriempitivi, come l'intrappolamento della carica e l'ostacolo del percorso di rottura."
I subnanomateriali basati sul poliossometallato (POM) sono generalmente fabbricati assemblando cluster POM in una o due dimensioni. La struttura unica risultante da questo processo consente a questi materiali di catturare e immagazzinare molti elettroni tramite una reazione nota come riduzione dei cationi metallici, fornendo così un approccio alternativo e promettente per convertire l'energia elettrica in dispositivi dielettrici.
"Negli ultimi anni, abbiamo tentato di impiegare subnanomateriali come riempitivi e studiato subnanocompositi a base di polimeri", ha affermato Shen. "Inizialmente, ci siamo concentrati sui subnanofili e abbiamo riscontrato un inaspettato miglioramento della polarizzazione. In questo recente lavoro, abbiamo rivolto la nostra attenzione ai subnanofogli e abbiamo sottolineato un sostanziale miglioramento della resistenza alla rottura."
I ricercatori stanno cercando da tempo di fabbricare subnanocompositi polimerici di alta qualità, poiché prima hanno dovuto superare diversi ostacoli tecnici. Innanzitutto, hanno dovuto identificare i solventi adatti per sintetizzare i materiali.
"I solventi adatti per polimeri e subnanomateriali sono totalmente diversi, ovvero N,N-dimetilformammide (DMF) o N-metilpirrolidone (NMP) per il primo e cloroformio o cicloesano per il secondo, rispettivamente," ha detto Shen.
"All'inizio, abbiamo scelto il cloroformio come solvente, ma il suo basso punto di ebollizione e la rapida evaporazione hanno reso molto difficile il processo di colata della soluzione del film composito. Successivamente ci siamo rivolti al DMF/NMP e abbiamo riscontrato la distribuzione impropria dei subnanomateriali al loro interno."
Per superare le sfide incontrate durante l'utilizzo di solventi DMF/NMP, i ricercatori hanno impiegato vari processi di dispersione, come l'agitazione vigorosa e il trattamento ad ultrasuoni dei materiali. Ciò ha consentito loro di garantire che i subnanomateriali fossero uniformemente dispersi nelle loro pellicole.
Alla fine, Shen e i suoi colleghi sono riusciti a realizzare subnanocompositi di alta qualità con un contenuto di riempitivo inferiore all'1% in peso e hanno scoperto che questo era sufficiente per migliorare significativamente le prestazioni dielettriche dei loro materiali, consentendo un Ud ultraelevato. di 7,2 J cm − 3 con un'efficienza di carica-scarica del 90% e stabilità del ciclo di carica-scarica fino a 5 × 10 5 cicli a 200 °C .
"Diversamente dai nanocompositi tradizionali, i nostri subnanocompositi hanno ancora un'eccellente flessibilità, il che suggerisce le loro ampie prospettive per la fabbricazione industriale roll-to-roll e l'applicazione con molteplici configurazioni", ha affermato Shen. "Inoltre, è stato dimostrato che i subnanomateriali hanno effetti migliorativi in molti comuni polimeri resistenti al calore, confermando ulteriormente la loro generalità nello stoccaggio capacitivo dell'energia."
Come parte del loro studio, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare un rotolo lungo 100 metri di una pellicola subnanocomposita utilizzando apparecchiature di colata della soluzione costruite nel loro laboratorio. Sorprendentemente, il loro metodo di fabbricazione sembra facile da espandere e potrebbe quindi consentire la fabbricazione continua roll-to-roll di subnanocompositi.
"Per quanto riguarda i tradizionali dielettrici nanocompositi, a causa dell'alto contenuto di nanoriempitivi inorganici rigidi, sono presenti numerosi difetti e vuoti nell'interfaccia", ha affermato Shen.
"Durante la fabbricazione roll-to-roll, questi difetti interfacciali formeranno microfessure, che deteriorano in gran parte la flessibilità e ostacolano la produzione industriale di questi film nanocompositi. Al contrario, i nostri subnanocompositi mantengono una grande flessibilità e hanno un'interfaccia densa a causa della flessibilità intrinseca e buona compatibilità interfacciale con polimeri di subnanomateriali."
Shen e i suoi colleghi hanno scoperto che il subnanocomposito polimero-inorganico lungo 100 metri che hanno prodotto mostrava prestazioni stabili di accumulo di energia e proprietà affidabili. In futuro, sperano che i metodi proposti consentano la fabbricazione su larga scala di materiali dielettrici subnanocompositi, che potrebbero facilitarne l'integrazione in vari dispositivi.
Nei prossimi studi, i ricercatori intendono continuare a esplorare la fabbricazione di materiali subnanocompositi polimerici-inorganici per condensatori di accumulo di energia. Oltre a migliorare ulteriormente le prestazioni dei subnanocompositi, sperano di semplificarne sempre più la produzione.
"Da un lato, continueremo a esplorare l'interazione tra polimeri e riempitivi inorganici su scala subnanometrica e a dimostrarne l'impatto sullo stoccaggio capacitivo dell'energia", ha aggiunto Shen.
"È stato scoperto che i subnanoinorganici mostrano un'eccellente compatibilità strutturale e una scala simile alle catene polimeriche, ispirandoci a introdurre legami chimici tra loro e formare dielettrici ibridi senza interfaccia. D'altra parte, speriamo anche di promuovere la loro produzione e applicazione di massa nei condensatori a film."
"Sebbene il subnanocomposito si sia dimostrato promettente per la fabbricazione continua roll-to-roll di pellicola dielettrica, ci sono ancora molti ostacoli da superare, come l'alto costo delle materie prime e la lunga sintesi di subnanomateriali."
Ulteriori informazioni: Minzheng Yang et al, Compositi polimerici fabbricati roll-to-roll riempiti con subnanosheet che mostrano un'elevata densità di energia e stabilità ciclica a 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3
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