新型高溫介電材料：可用於能量存儲和大規模製造！

導讀

最近，美國賓州州立大學開發出一種輕量的新型複合材料。它可用於柔性電子設備、電動汽車和航空航天等領域的能量存儲。在工作溫度條件下，它比目前的商用聚合物，存儲能量的效果更好。這種基於聚合物的超薄材料可以通過目前工業中已使用的技術進行生產。

關鍵字

材料、柔性、能量

背景

賓州州立大學的材料科學和工程教授 Qing Wang 說：

「在實驗室中，我們已經完成了一些列工作，關於電容的高溫介電材料。這項研究是其中的一部分。在此之前，我們已經開發了氮化硼納米片和介電聚合物的複合材料，但是後來意識到低成本地擴大這種材料的使用，將具有顯著問題。」

可擴展性（生產可商用數量的器件中使用的高級材料）已經成為在學術實驗室中開發的許多新型二維材料的具有決定性意義的挑戰。

Wang 說：

「從柔性材料的角度說，二維材料非常吸引人，但是如何進行大規模製造是一個問題。此外，能夠將它們與聚合物材料相結合，成為未來柔性電子應用和電子器件的一個關鍵特性。」

創新

為了解決這個問題，Wang 的實驗室和賓州州立大學的二維晶體方面的研究小組展開了合作。

材料科學和工程專業的助理教授、賓州州立大學二維和分層材料中心的教員 Nasim Alem 說：

「這項研究是由我的研究生Amin Azizi、Wang博士的研究生 Matthew Gadinski 在談話中所構想。這是首個魯棒性實驗，它將柔軟的聚合物材料和堅硬的二維晶體材料結合起來，創造出一種功能化的介電器件。」

Azizi 現在是加州大學伯克利分校的博士後研究員，Gadinski 是陶氏化學公司的高級工程師，他們一起開發了一項使用化學氣相沉積的技術，製造出多層的六方氮化硼納米晶體薄膜，並且將薄膜轉移到聚醚醯亞胺（PEI）薄膜的兩邊。然後，他們使用壓力將薄膜結合到一起，形成一種三明治狀的三層結構。

（圖片來源：Feihua Liu/ 賓州州立大學）

最終的結果讓研究人員感到驚喜：只需要壓力，而無需任何化學鍵合，就足以製造出一種獨立的薄膜，它強大到可以用高吞吐量的卷到卷製程加工。

研究成果發表於最近的《新材料》雜誌，論文標題為 《高性能聚合物夾在化學氣相沉積的六方氮化硼之間，成為可擴展的高溫介電材料》"High-performance Polymers Sandwiched with Chemical
Vapor Deposited Hexagonal Boron Nitrides as Scalable High-Temperature
Dielectric Materials."。

技術

六方氮化硼是一種具有高機械強度的寬頻隙材料。寬頻隙讓它成為一個良好的絕緣體，並且能防止PEI薄膜在高溫下發生介質擊穿，這也是其他聚合物電容失效的原因之一。在工作溫度超高176華氏度時，目前最佳的商用聚合物開始喪失效率，但是塗有六方氮化硼的PEI可在超過392華氏度的條件下高效工作。即使在高溫條件下，具有塗層的PEI可在超過55,000次充放電循環的測試中保持穩定。

價值

Wang 說：

「理論上說，所有這些高性能聚合物非常具有商用價值，它們可以塗有硼納米片阻止電荷注入。我認為這樣將使得該技術具有未來商業化的可行性。」

Alem 補充說：

「在實驗室級別有許多由二維晶體製成的器件，但是缺陷為它們的生產帶來了問題。通過寬頻隙材料例如氮化硼，除了微結構上的小特徵可能會不理想外，它做得很好。」

第一性原理計算判定了電子勢壘。電子勢壘位於PEI/六方氮化硼結構和金屬電極的交界處，施加於這種結構傳遞電流。這個電子勢壘顯著高於特殊的金屬電極-介電聚合物的交界處的電子勢壘，使得來自電極的電荷更難注入到薄膜中。

參考資料

【1】http://news.psu.edu/story/475980/2017/07/31/research/energy-storage-solution-combines-polymers-and-nanosheets

【2】Amin Azizi, Matthew R. Gadinski, Qi Li, Mohammed Abu AlSaud, Jianjun
Wang, Yi Wang, Bo Wang, Feihua Liu, Long-Qing Chen, Nasim Alem, Qing
Wang. High-Performance Polymers Sandwiched with Chemical Vapor
Deposited Hexagonal Boron Nitrides as Scalable High-Temperature
Dielectric Materials. Advanced Materials, 2017; 1701864 DOI: 10.1002/adma.201701864

更多前沿技術和創新產品，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！