新電容材料問世 電動汽車有望更輕更便宜

【亞洲配件網(wǎng)訊】目前，無論是電動汽車還是混合動力汽車，電池和汽車動力裝置之間的電容材料，都使用的是普通雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜，然而，該材料只能在 70℃以內(nèi)發(fā)揮優(yōu)良性能。為此，電動汽車內(nèi)部必須額外為該材料安裝降溫裝置。眾所周知，降溫裝置不僅增加了整車的重量，還增加了整車生產(chǎn)成本。

近期，賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)家團隊通過改變材料結(jié)構(gòu)，研發(fā)出一種新電容材料，該材料能在 150℃的高溫狀態(tài)下保持優(yōu)良性能。一旦這種新材料推向市場，電動汽車內(nèi)部可能就再也不需安裝降溫裝置了。

新電容材料問世，電動汽車有望更輕更便宜

電動汽車內(nèi)部的電容材料

高分子聚合物是理想的交通運輸電容儲能材料，因為它重量輕、可擴展性強，擁有極佳絕緣性能。BOPP 是目前商用范圍最廣的聚合物材料，你家里的透明膠帶、樂事薯片包裝袋、方便面包裝等，都有 BOPP 的功勞。

然而，BOPP 并不耐高溫，所以，當(dāng)把它用在電動汽車?yán)锂?dāng)做電極時，電動汽車運行時產(chǎn)生的高溫能很快將其損壞，于是降溫裝置成了電動汽車內(nèi)部很重要的一個部件。那么，有沒有一種材料既能保持絕緣性能的同時，還能耐住高溫呢?賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究者們給出的答案是：能，但需要改變以往材料的結(jié)構(gòu)。

新材料：改變結(jié)構(gòu)也能引起質(zhì)變

賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授王晴(Qing Wang，音譯)向第四能源記者表示，「我們將以往的薄膜改變?yōu)槿髦谓Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能在高溫和強磁場環(huán)境下保護材料不受損壞。」

正常的聚合物膜，比如 BOPP，在提高電容率和電場強度的情況下，會影響其穩(wěn)定性和充放電效率。電場越強，聚合物膜會隨著溫度升高而泄露能量。所以研究者們嘗試通過混合不同的材料，以平衡其化學(xué)特性。然而，這樣做之后，雖然能提高電容材料的儲能容量，但在高溫條件下，電子從電極逃逸，然后進入到聚合物膜，從而形成電流，導(dǎo)電之后的薄膜很容易就毀壞了。

既然復(fù)合材料無法從根本上解決問題，那么突破口究竟在哪兒呢?最后，研究者們想到了改良材料結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，他們構(gòu)建了這種三明治結(jié)構(gòu)。王晴向筆者展示了原理圖，圖中我們可以看到，頂層和底層的材料能阻擋電極的電荷注入，而在中間層，他們放入了能提高能量密度和功率密度的高電容率聚合物材料。

三明治結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

「表層材料為氮化硼納米薄片(圖中的藍色和白色原子)，能充當(dāng)絕緣體;中間層材料為鈦酸鋇(圖中綠色和紫色原子)，它能提高介電常數(shù)，用于高溫條件下的能量存儲?！雇跚缦蚬P者做出了進一步解釋。

我們都知道，氮化硼納米薄片組成的聚合物基體是絕佳的絕緣體，而鈦酸鋇則是一種高電容材料，這樣的排列組合構(gòu)建了一種全新的材料，它具有高能量密度、高功率密度和優(yōu)秀的充放電循環(huán)效率等諸多優(yōu)勢特性。

實驗結(jié)果顯示，與 BOPP 相比，這種新材料在 150℃的高溫下，充放電循環(huán)效率與 BOPP 在 70℃時保持一致。并且，在保持如此高溫條件下，經(jīng)過 24 小時不間斷的測試，這種材料沒有任何損壞。

對于未來，王晴表示看好，「我們下一步是希望能與企業(yè)展開合作，做進一步研究，看這種新材料是否能以合理的價格量產(chǎn)，從而推向市場。」

美國海軍研究局對該項研究工作給予了資金支持，研究成果已發(fā)表在 8 月 22 日的美國國家科學(xué)院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

（責(zé)任編輯：晨雪 QQ:2355779328）

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