Un nouveau, matériau composite léger pour le stockage d'énergie en électronique flexible, Il a été démontré expérimentalement que les véhicules électriques et les applications aérospatiales stockent de l'énergie à des températures de fonctionnement bien supérieures aux polymères commerciaux actuels, selon une équipe de scientifiques de Penn State. Ce polymère, un matériau ultra-mince peut être produit en utilisant des techniques déjà utilisées dans l'industrie.

« Cela fait partie d'une série de travaux que nous avons effectués dans notre laboratoire sur les diélectriques à haute température destinés à être utilisés dans les condensateurs, " a déclaré Qing Wang, professeur de science et génie des matériaux, État de Penn. "Avant ce travail, nous avions développé un composite de nanofeuillets de nitrure de bore et de polymères diélectriques, mais s'est rendu compte qu'il y avait des problèmes importants avec la mise à l'échelle économique de ce matériau. »

L'évolutivité - ou la fabrication de matériaux avancés dans des quantités commercialement pertinentes pour les appareils - a été le défi déterminant pour de nombreux nouveaux, matériaux bidimensionnels en cours de développement dans les laboratoires universitaires.

« Du point de vue des matériaux souples, Les matériaux 2D sont fascinants, mais comment les produire en masse est une question, " dit Wang. " De plus, pouvoir les combiner avec des matériaux polymères est une caractéristique clé pour les futures applications électroniques flexibles et les dispositifs électroniques. »

Pour résoudre ce problème, Le laboratoire de Wang a collaboré avec un groupe de Penn State travaillant sur des cristaux bidimensionnels.

"Ce travail a été conçu dans des conversations entre mon étudiant diplômé, Amine Azizi, et l'étudiant diplômé du Dr Wang, Matthieu Gadinski, " dit Nasim Alem, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux et membre du corps professoral du Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials. "Il s'agit de la première expérience robuste dans laquelle un matériau polymère souple et un matériau cristallin 2D dur se sont réunis pour créer un dispositif diélectrique fonctionnel."

Azizi, maintenant chercheur post-doctoral à l'Université de Californie à Berkeley, et Gadinski, maintenant ingénieur senior chez DOW Chemical, développé une technique utilisant le dépôt chimique en phase vapeur pour fabriquer des multicouches, films de nanocristaux de nitrure de bore hexagonaux et transférer les films des deux côtés d'un film de polyétherimide (PEI). Ils ont ensuite collé les films ensemble en utilisant une pression dans une structure sandwich à trois couches. Dans un résultat surprenant pour les chercheurs, pression seule, sans aucune liaison chimique, était suffisant pour fabriquer un film autoportant suffisamment solide pour être potentiellement fabriqué dans un processus rouleau à rouleau à haut débit.

Les résultats ont été publiés dans un numéro récent de la revue Matériaux avancés dans un article intitulé "High-performance Polymers Sandwiched with Chemical Vapor Deposited Hexagonal Boron Nitrides as Scalable High-Temperature Dielectric Materials".

Le nitrure de bore hexagonal est un matériau à large bande interdite avec une résistance mécanique élevée. Sa large bande interdite en fait un bon isolant et protège le film PEI des claquages ​​diélectriques à haute température, la raison de la défaillance d'autres condensateurs polymères. À des températures de fonctionnement supérieures à 176 degrés Fahrenheit, les meilleurs polymères commerciaux actuels commencent à perdre en efficacité, mais le PEI recouvert de nitrure de bore hexagonal peut fonctionner avec une efficacité élevée à plus de 392 degrés Fahrenheit. Même à haute température, le PEI enduit est resté stable pendant plus de 55 ans, 000 cycles de charge-décharge en test.

"Théoriquement, tous ces polymères hautes performances si intéressants commercialement peuvent être enrobés de nanofeuillets de bore pour bloquer l'injection de charges, " Wang a dit. " Je pense que cela rendra cette technologie faisable pour la commercialisation future. "

Alem a ajouté, "Il existe de nombreux appareils fabriqués avec des cristaux 2D à l'échelle du laboratoire, mais les défauts en font un problème pour la fabrication. Avec un matériau à large bande interdite comme le nitrure de bore, il fait du bon travail malgré de petites caractéristiques microstructurales qui pourraient ne pas être idéales."

Les calculs des premiers principes ont déterminé que la barrière électronique, établi à l'interface de la structure PEI/nitrure de bore hexagonal et des électrodes métalliques appliquées sur la structure à délivrer, le courant est nettement plus élevé que les contacts typiques électrode métallique-polymère diélectrique, rendant plus difficile l'injection de charges de l'électrode dans le film. Ce travail a été réalisé par le groupe de recherche théorique de Long-Qing Chen, Professeur Donald W. Hamer de science et génie des matériaux, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique, et mathématiques, État de Penn.