Les ingénieurs et les scientifiques des matériaux tentent de développer des dispositifs de plus en plus avancés pour répondre aux besoins croissants de l’industrie électronique. Ces dispositifs comprennent des condensateurs électrostatiques, des dispositifs capables de stocker de l'énergie électrique dans un diélectrique entre une paire d'électrodes grâce à l'accumulation de charges électriques sur les surfaces diélectriques.
Ces condensateurs sont des composants essentiels de diverses technologies, notamment les véhicules électriques et le photovoltaïque (PV). Ils sont souvent fabriqués en utilisant des polymères comme matériaux diélectriques, des substances synthétiques constituées de grosses molécules organiques avec une bonne flexibilité intrinsèque et de bonnes propriétés isolantes.
Des chercheurs de l’Université Tsinghua et d’autres instituts en Chine ont récemment introduit une nouvelle stratégie visant à fabriquer des composites polymères remplis de sous-nanofeuilles présentant des propriétés très avantageuses. La méthode proposée, décrite dans un document Nature Energy papier, leur a permis de fabriquer un rouleau de 100 mètres de long d'un film subnanocomposite à base de polymère.
"Nous prêtons attention aux subnanocomposites à base de polymères depuis des années, en coopération avec le professeur Xun Wang, du département de chimie de l'université Tsinghua", a déclaré Yang Shen, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Notre recherche [se concentre] sur le stockage capacitif d'énergie des diélectriques polymères, qui nécessite une polarisation élevée, une résistance à la rupture et une suppression de la migration de charge, en particulier à haute température."
Les sous-nanomatériaux sont des matériaux dont au moins une dimension est inférieure à 1 nm de longueur. Ces matériaux peuvent prendre diverses formes, telles que des sous-nanofils, des sous-nanofeuilles et des sous-nanoceintures. Des études antérieures ont montré que les sous-nanomatériaux peuvent présenter diverses caractéristiques et propriétés nouvelles, ce qui en fait des charges prometteuses pour les diélectriques composites.
"Premièrement, grâce à leurs tailles comparables à celles des chaînes polymères, c'est-à-dire 1 nm, les sous-nanomatériaux présentent une grande flexibilité, ce qui signifie qu'ils peuvent ajuster leurs formes pour éliminer les vides interfaciaux et fusionner une interface dense dans les composites", a expliqué Shen. "De plus, les sous-nanomatériaux ont un rapport atomique de surface de près de 100 % et une surface spécifique ultra-large, ce qui donne lieu à des phénomènes interfaciaux beaucoup plus remarquables que les nanocharges, tels que le piégeage de charge et l'entrave au chemin de décomposition."
Les sous-nanomatériaux à base de polyoxométalate (POM) sont généralement fabriqués en assemblant des clusters de POM en une ou deux dimensions. La structure unique résultant de ce processus permet à ces matériaux de capturer et de stocker de nombreux électrons via une réaction connue sous le nom de réduction des cations métalliques, offrant ainsi une approche alternative et prometteuse pour convertir l'énergie électrique dans des dispositifs diélectriques.
"Ces dernières années, nous avons tenté d'utiliser des sous-nanomatériaux comme charges et étudié des sous-nanocomposites à base de polymères", a déclaré Shen. "Au départ, nous nous sommes concentrés sur les sous-nanofils et avons découvert une amélioration inattendue de la polarisation. Dans ces travaux récents, nous avons porté notre attention sur les sous-nanofils et une amélioration substantielle de la résistance à la rupture a été soulignée."
Les chercheurs tentent depuis un certain temps déjà de fabriquer des sous-nanocomposites polymères de haute qualité, car ils ont d’abord dû surmonter plusieurs obstacles techniques. Tout d'abord, ils ont dû identifier les solvants appropriés pour synthétiser les matériaux.
"Les solvants appropriés pour les polymères et les sous-nanomatériaux sont totalement différents, à savoir le N,N-Diméthylformamide (DMF) ou la N-méthylpyrrolidone (NMP) pour le premier et le chloroforme ou le cyclohexane pour le second, respectivement", a déclaré Shen.
"Au début, nous avons choisi le chloroforme comme solvant, mais son faible point d'ébullition et son évaporation rapide ont rendu le processus de coulée en solution d'un film composite très difficile. Nous nous sommes ensuite tournés vers le DMF/NMP et avons rencontré une mauvaise répartition des sous-nanomatériaux qu'ils contiennent."
Pour surmonter les défis rencontrés lors de l’utilisation des solvants DMF/NMP, les chercheurs ont utilisé divers procédés de dispersion, tels qu’une agitation vigoureuse et le traitement des matériaux par ultrasons. Cela leur a finalement permis de garantir que les sous-nanomatériaux étaient uniformément dispersés dans leurs films.
En fin de compte, Shen et ses collègues ont pu réaliser des sous-nanocomposites de haute qualité avec une teneur en charges inférieure à 1 % en poids et ont découvert que cela était suffisant pour améliorer considérablement les performances diélectriques de leurs matériaux, permettant un Ud ultra élevé. de 7,2 J cm − 3 avec une efficacité de charge-décharge de 90 % et une stabilité du cycle de charge-décharge jusqu'à 5 × 10 5 cycles à 200 °C .
« Différent des nanocomposites traditionnels, nos subnanocomposites ont toujours une excellente flexibilité, ce qui suggère de larges perspectives pour la fabrication industrielle rouleau-à-rouleau et l'application avec de multiples configurations », a déclaré Shen. "De plus, il a été prouvé que les sous-nanomatériaux ont des effets améliorants sur de nombreux polymères courants résistants à la chaleur, confirmant ainsi leur généralité dans le stockage d'énergie capacitif."
Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont pu fabriquer un rouleau de 100 mètres de long d'un film subnanocomposite à l'aide d'un équipement de coulée en solution construit dans leur laboratoire. Remarquablement, leur méthode de fabrication semble facile à étendre et pourrait ainsi permettre la fabrication continue rouleau à rouleau de subnanocomposites.
"En ce qui concerne les diélectriques nanocomposites traditionnels, en raison de la teneur élevée en nanocharges inorganiques rigides, il existe plusieurs défauts et vides à l'interface", a déclaré Shen.
"Lors de la fabrication roll-to-roll, ces défauts interfaciaux formeront des microfissures, qui détérioreront largement la flexibilité et gêneront la fabrication industrielle de ces films nanocomposites. En revanche, nos subnanocomposites conservent une grande flexibilité et ont une interface dense en raison de la flexibilité intrinsèque et bonne compatibilité interfaciale avec les polymères de sous-nanomatériaux."
Shen et ses collègues ont découvert que le sous-nanocomposite polymère-inorganique de 100 mètres de long qu'ils ont produit présentait des performances de stockage d'énergie stables et des propriétés fiables. À l'avenir, ils espèrent que les méthodes proposées permettront la fabrication à grande échelle de matériaux diélectriques subnanocomposites, ce qui pourrait faciliter leur intégration dans divers dispositifs.
Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de continuer à explorer la fabrication de matériaux subnanocomposites polymères-inorganiques pour les condensateurs de stockage d’énergie. En plus d'améliorer encore les performances des subnanocomposites, ils espèrent simplifier toujours plus leur production.
"D'une part, nous continuerons à explorer l'interaction entre les polymères et les charges inorganiques à l'échelle subnano et à démontrer son impact sur le stockage capacitif d'énergie", a ajouté Shen.
"Il a été constaté que les subnano-inorganiques présentent une excellente compatibilité structurelle et une échelle similaire à celle des chaînes polymères, ce qui nous a incité à introduire des liaisons chimiques entre eux et à former des diélectriques hybrides sans interface. D'un autre côté, nous espérons également promouvoir leur production et leur application en masse. dans les condensateurs à film."
"Bien que les sous-nanocomposites se soient montrés prometteurs pour la fabrication continue de films diélectriques, rouleau à rouleau, il nous reste encore de nombreux obstacles à surmonter, tels que le coût élevé des matières premières et la synthèse fastidieuse des sous-nanomatériaux."
Plus d'informations : Minzheng Yang et al, Composites polymères fabriqués rouleau à rouleau remplis de sous-nanofeuilles présentant une densité énergétique élevée et une stabilité cyclique à 200 °C, Nature Energy (2024). DOI :10.1038/s41560-023-01416-3
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