高分子三明治，讓電動汽車的儲能更有效率

材料牛注：三明治將吐司、煎蛋和蔬菜結合，成就一道營養、美味、方便的早餐。在材料界，不同材料簡單的結合也可以有令人驚艷的結果。這不，科學家發明的這種三明治可以使高分子材料在不用較大冷卻設備的前提下就可以在高溫下工作，成就更好的儲能材料。

“高分子材料由于具有輕質、可伸縮性、高介電性能可以作為交通工具理想的儲能材料。”賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授、該研究團隊的領導者Qing Wang說，“不過，現今混合動力汽車和電動汽車使用的商用高分子材料BOPP，在沒有相當大的冷卻設備的前提下不能在高溫下工作。”

研究人員需要克服兩個方面的問題——穩定性、充放電效率——來實現高分子作為高溫儲能材料的目的。增加介電常數和電場強度會使像BOPP這樣普通的2D高分子薄膜的穩定性和充放電效率降低。電場場強的增強會使材料更多的能量以放熱的形式浪費。賓州立大學的研究人員曾經試圖通過混合不同的材料來解決這一問題。他們發現，隨著材料的儲能性能的增強，薄膜在高溫下被破壞。

“這就是我們設計這種三明治結構的原因，我們加了上下兩層來組織電荷的注入。我們就可以在中間層填充可以提高能量和功率密度的高介電常數陶瓷/聚合物填料。”Wang說，“我們已經證明，這種材料可以在高溫下連續工作24h的情況下而不會損壞，充放電長達3000多個周期。”

如圖所示，外層聚合物基質中的氮化硼納米片（藍色和白色的原子）是高溫下良好的絕熱材料，中間層是具有高介電常數的鈦酸鋇層（綠色和紫色的原子）。

和BOPP比較

將BOPP和具有三明治結構的納米復合物SSN-x（x代表中間層鈦酸鋇納米復合材料的百分比）相比較，發現SSN-x在150℃時的充放電效率和BOPP在70℃時的充放電效率相同。SSN-x的能量密度是BOPP的好幾倍，在提高系統性能和穩定性的前提下還可以顯著降低電子產品的尺寸和重量，這使得SSN-x可以作為電動汽車和航空航天領域理想的儲能裝置。無需體積龐大、價格昂貴的冷卻裝置對于BOPP來說是額外的福利。

“我們已經在實驗室證明了這種材料的性能，下一步將會和公司或其它做該方面研究的單位合作，看看這種材料能否在合理的成本范圍內進行大規模生產。”Wang說，“我們和本部門研究這方面理論的同事Long-Qing Chen合作，正在研究開發一些國家最先進的材料。我們正在研究一個3D材料，我們選取材料，并在特定的位置上組合這些復合納米材料。理論幫助我們合理的設計材料。”

這項工作由美國海軍研究辦公室的支持。

原文鏈接：Scientists Develop “Ideal” Energy Storage Material for Electric Vehicles.

文獻鏈接：Sandwich-Structured Polymer Nanocomposites with High Energy Density and Great Charge-Discharge Efficiency at Elevated Temperatures.

本文由編輯部楊洪期提供素材，朱曉秀編譯，點我加入材料人編輯部。