宾州州立大学研究人员开发出耐极端高温的聚合物电容器

宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种新型聚合物电容器,其储能量是传统型号的四倍,同时能够在高达482华氏度(约250摄氏度)的温度下工作,解决了电动汽车、数据中心和太空探索系统电子元件长期存在的温度限制问题。

这项研究成果于周二发表在《自然》杂志上,介绍了一种由两种廉价、市售塑料制成的"聚合物合金",这两种塑料结合后能够自组装形成稳定的纳米结构。

极端条件下的解决方案

聚合物电容器能够在从医疗除颤器到电动传动系统等各种应用中提供快速的能量爆发和功率稳定。然而,当温度超过212华氏度(约100摄氏度)时,目前最先进的聚合物电容器就会失效,而汽车发动机和高负荷运行的数据中心在正常运行期间就可能超过这一温度。

"电动汽车、数据中心、太空探索等领域的整个系统的进步都可能受到聚合物电容器的阻碍,"宾夕法尼亚州立大学电气工程系博士后研究员、论文共同第一作者李力(Li Li)说。"传统的聚合物电容器需要保持冷却才能运行。我们的方法解决了这个问题,同时实现了四倍的功率——或者说在体积缩小四倍的设备中实现相同的功率。"

研究团队通过混合两种耐热聚合物来解决热限制问题,这两种聚合物保持部分不相容性,从而在纳米尺度上形成三维界面。所得材料的介电常数达到13.5,而每种单独成分的介电常数不到4,并且在零下148华氏度到482华氏度(约零下100摄氏度到250摄氏度)的温度范围内都能保持性能。

意外的特性

"如果你把两种相似的材料放在一起,你会预期得到一种性能水平与两种原料相似的类似材料,"李说道,他解释说,与单独使用任何一种原料相比,能量存储容量的测量值增加了三倍多。

共同第一作者、宾夕法尼亚州立大学电气工程系和材料研究所的博士后学者Guanchun Rui表示,这一突破颠覆了传统思维。"通常情况下,你无法在一种介电聚合物中同时实现高能量密度和高温耐受性——而我们通过混合两种市售的耐高温聚合物做到了这两点。"

显微成像和计算建模揭示,自组装界面充当了阻挡移动电荷泄漏的屏障,使该材料能够同时实现高能量密度和热稳定性。

市场化路径

研究人员指出,所使用的两种聚合物都具有成本效益且易于获取,制造工艺也足够简单,便于大规模生产。该团队已申请专利,并正在推进该技术的商业化。

宾夕法尼亚州立大学的其他贡献者包括博士生朱文怡(Wenyi Zhu)、黄子坦(Zitan Huang)和郭怡文(Yiwen Guo),以及刘子葵(Zi-Kui Liu)和拉尔夫·H·科尔比(Ralph H. Colby)教授。