L'objectif de stockage d'énergie d'un matériau diélectrique polymère à haute densité énergétique, Une densité de puissance élevée et une excellente efficacité de charge-décharge pour l'utilisation de véhicules électriques et hybrides ont été obtenues par une équipe de scientifiques des matériaux de Penn State. La clé est une structure de type sandwich tridimensionnelle unique qui protège le champ électrique dense dans le composite polymère/céramique contre le claquage diélectrique. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui (22 août) dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

"Les polymères sont idéaux pour le stockage d'énergie pour le transport en raison de leur faible poids, évolutivité et rigidité diélectrique élevée, " dit Qing Wang, professeur de science et génie des matériaux et chef d'équipe. "Toutefois, le polymère commercial existant utilisé dans les véhicules hybrides et électriques, appelé BOPP, ne peut pas supporter les températures de fonctionnement élevées sans un équipement de refroidissement supplémentaire considérable. Cela augmente le poids et le coût des véhicules. »

Les chercheurs ont dû surmonter deux problèmes pour atteindre leur objectif. Dans les films polymères bidimensionnels normaux tels que BOPP, augmenter la constante diélectrique, la force du champ électrique, est en conflit avec la stabilité et l'efficacité de charge-décharge. Plus le champ est fort, plus un matériau est susceptible de fuir de l'énergie sous forme de chaleur. Les chercheurs de Penn State ont à l'origine attaqué ce problème en mélangeant différents matériaux tout en essayant d'équilibrer les propriétés concurrentes sous une forme bidimensionnelle. Bien que cela augmente la capacité énergétique, ils ont découvert que le film se décomposait à haute température lorsque des électrons s'échappaient des électrodes et étaient injectés dans le polymère, qui a provoqué la formation d'un courant électrique.

« C'est pourquoi nous avons développé cette structure sandwich, " dit Wang. " Nous avons les couches supérieure et inférieure qui bloquent l'injection de charge à partir des électrodes. Ensuite, dans la couche centrale, nous pouvons mettre tout le matériau de remplissage céramique/polymère à constante diélectrique élevée qui améliore la densité d'énergie et de puissance."

Les couches externes, composé de nanofeuillets de nitrure de bore dans une matrice polymère, sont d'excellents isolants, tandis que la couche centrale est un matériau à constante diélectrique élevée appelé titanate de baryum.

"Nous montrons que nous pouvons opérer ce matériau à haute température pendant 24 heures d'affilée sur plus de 30, 000 cycles et il ne montre aucune dégradation, " dit Wang.

Comparaison avec BOPP

Une comparaison du BOPP et du nanocomposite à structure sandwich, appelé SSN-x, dans laquelle le x désigne le pourcentage de nanocomposites de titanate de baryum dans la couche centrale, montre qu'à 150 degrés C, SSN-x a essentiellement la même énergie de charge-décharge que BOPP à sa température de fonctionnement typique de 70 degrés C. Cependant, SSN-x a plusieurs fois la densité d'énergie de BOPP, ce qui rend SSN-x hautement préférable pour les véhicules électriques et les applications aérospatiales en tant que dispositif de stockage d'énergie en raison de la capacité de réduire considérablement la taille et le poids de l'électronique tout en améliorant les performances et la stabilité du système. L'élimination des équipements de refroidissement encombrants et coûteux requis pour le BOPP est un bonus supplémentaire.

"Notre prochaine étape est de travailler avec une entreprise ou avec plus de ressources pour faire des études de processabilité pour voir si le matériau peut être produit à plus grande échelle à un coût raisonnable, " déclare Wang. " Nous avons démontré les performances des matériaux en laboratoire. Nous développons un certain nombre de matériaux de pointe en collaboration avec notre collègue théorique Long-Qing Chen dans notre département. Parce que nous avons affaire à un espace à trois dimensions, il ne s'agit pas seulement de sélectionner les matériaux, mais comment nous organisons les multiples matériaux nanométriques dans des endroits spécifiques. La théorie nous aide à concevoir des matériaux de manière rationnelle."