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新电容材料问世电动汽车有望更轻更便宜

2019-03-14 02:56:12

新电容材料问世,电动汽车有望更轻更便宜 宾夕法尼亚州立大学材料科学家团队通过改变材料结构,研发出一种新电容材料,该材料能在 150℃的高温状态下保持优良性能。一旦这种新材料推向市场,电动汽车内部可能就再也不需安装降温装置了。

目前,无论是电动汽车还是混合动力汽车,电池和汽车动力装置之间的电容材料,都使用的是普通双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜,然而,该材料只能在 70℃以内发挥优良性能。为此,电动汽车内部必须额外为该材料安装降温装置。众所周知,降温装置不仅增加了整车的重量,还增加了整车生产成本。

近期,宾夕法尼亚州立大学材料科学家团队通过改变材料结构,研发出一种新电容材料,该材料能在 150℃的高温状态下保持优良性能。一旦这种新材料推向市场,电动汽车内部可能就再也不需安装降温装置了。

电动汽车内部的电容材料

高分子聚合物是理想的交通运输电容储能材料,因为它重量轻、可扩展性强,拥有绝缘性能。BOPP 是目前商用范围广的聚合物材料,你家里的透明胶带、乐事薯片包装袋、方便面包装等,都有 BOPP 的功劳。

然而,BOPP 并不耐高温,所以,当把它用在电动汽车里当做电极时,电动汽车运行时产生的高温能很快将其损坏,于是降温装置成了电动汽车内部很重要的一个部件。那么,有没有一种材料既能保持绝缘性能的同时,还能耐住高温呢?宾夕法尼亚州立大学的研究者们给出的答案是:能,但需要改变以往材料的结构。

新材料:改变结构也能引起质变

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程学院教授王晴(Qing Wang,音译)向第四能源表示,「我们将以往的薄膜改变为三明治结构,这种结构能在高温和强磁场环境下保护材料不受损坏。」

正常的聚合物膜,比如 BOPP,在提高电容率和电场强度的情况下,会影响其稳定性和充放电效率。电场越强,聚合物膜会随着温度升高而泄露能量。所以研究者们尝试通过混合不同的材料,以平衡其化学特性。然而,这样做之后,虽然能提高电容材料的储能容量,但在高温条件下,电子从电极逃逸,然后进入到聚合物膜,从而形成电流,导电之后的薄膜很容易就毁坏了。

既然复合材料无法从根本上解决问题,那么突破口究竟在哪儿呢?,研究者们想到了改良材料结构,在此基础上,他们构建了这种三明治结构。王晴向笔者展示了原理图,图中我们可以看到,顶层和底层的材料能阻挡电极的电荷注入,而在中间层,他们放入了能提高能量密度和功率密度的高电容率聚合物材料。

三明治结构的优势

「表层材料为氮化硼纳米薄片(图中的蓝色和白色原子),能充当绝缘体;中间层材料为钛酸钡(图中绿色和紫色原子),它能提高介电常数,用于高温条件下的能量存储。」王晴向笔者做出了进一步解释。

我们都知道,氮化硼纳米薄片组成的聚合物基体是的绝缘体,而钛酸钡则是一种高电容材料,这样的排列组合构建了一种全新的材料,它具有高能量密度、高功率密度和的充放电循环效率等诸多优势特性。

实验结果显示,与 BOPP 相比,这种新材料在 150℃的高温下,充放电循环效率与 BOPP 在 70℃时保持一致。并且,在保持如此高温条件下,经过 24 小时不间断的测试,这种材料没有任何损坏。

对于未来,王晴表示看好,「我们下一步是希望能与企业展开合作,做进一步研究,看这种新材料是否能以合理的价格量产,从而推向市场。」

美国海军研究局对该项研究工作给予了资金支持,研究成果已发表在 8 月 22 日的美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

新电容材料问世电动汽车有望更轻更便宜

**本文作者张龙华,文章首发第四能源(号:FourthEnergy),转载请与头条号作者取得联系。

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