Ученые из Университета штата Пенсильвания создали многослойный нанокомпозитный материал с повышенными теплостойкостью и плотностью энергии по сравнению с биаксиально-ориентированной полипропиленовой пленкой (БОПП). Об этом сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences.
БОПП — двумерная полимерная пленка, которая широко применяется при производстве гибких упаковок для пищевых и непищевых продуктов. Благодаря высокой температуре плавления полипропилена (150 градусов по Цельсию) БОПП также используется как диэлектрик конденсаторов и электроизоляционный материал. Ее недостатком является невозможность увеличить напряженность электрического поля без снижения стабильности и эффективности заряда и разряда.
«Полимеры идеально подходят для хранения энергии: они легкие, масштабируемые и обладают высокой электрической прочностью. Но БОПП, которая используется в гибридных автомобилях и электромобилях, неустойчива к рабочей температуре без дополнительной системы охлаждения. Это увеличивает вес транспорта и расходы на обслуживание», — сообщил профессор Кин Ван.
В новом исследовании ученые создали новый тип диэлектрика с двумя наружными слоями из нанолистов нитрида бора и одним центральным — из титаната бария. Верхние слои выполняли функцию изолятора и препятствовали инжекции носителя заряда, тогда как центральный отличался высокой диэлектрической проницаемостью. Многослойная структура защищала нанокомпозит от пробивного напряжения — минимального напряжения, при котором происходит пробой изоляции.
Материал получил название SSN-x, где x — процент титаната бария в центральном слое. Испытания показали, что при нагревании до 150 градусов по Цельсию SSN-x обладает энергией заряда и разряда, аналогичной рабочему уровню БОПП при 70 градусах по Цельсию. При этом плотность энергии нового диэлектрика оказалась выше, что позволяет производить на его основе более компактные и легкие накопители для нужд транспортной и авиационно-космической промышленности.
Кроме того, SSN-x не требует использования дорогостоящего оборудования: помимо прочего, на одном из этапов изготовления БОПП очищенный полипропилен, размещенный на барабане, охлаждается в водяной ванне для формирования пленки. Как отметили авторы, новый материал способен более чем на 30 тысяч циклов непрерывной переполяризации в течение суток без деградации электрофизических характеристик.
В ближайшее время исследователи намерены найти инвесторов или партнеров для коммерциализации материала. Ключевой задачей команды будет выяснить, возможно ли производство SSN-x в промышленных масштабах по разумной цене.
