Utilizando un material híbrido de sílice sol-gel y monocapas autoensambladas de un ácido graso común, los investigadores han desarrollado un nuevo material dieléctrico de condensador que proporciona una capacidad de almacenamiento de energía eléctrica que rivaliza con ciertas baterías, con una alta densidad de energía y una alta densidad de potencia.
Si el material puede ampliarse a partir de muestras de laboratorio, los dispositivos hechos con él podrían superar los condensadores electrolíticos tradicionales para aplicaciones en propulsión electromagnética, vehículos eléctricos y desfibriladores. Los condensadores a menudo complementan las baterías en estas aplicaciones porque pueden proporcionar grandes cantidades de corriente rápidamente.
El nuevo material está compuesto de una película delgada de sílice sol-gel que contiene grupos polares unidos a los átomos de silicio y una monocapa autoensamblada a nanoescala de un ácido octilfosfónico, que proporciona propiedades aislantes. La estructura de la bicapa bloquea la inyección de electrones en elmaterial sol-gel, que proporciona baja corriente de fuga, alta resistencia a la ruptura y alta eficiencia de extracción de energía.
"Los geles solares con grupos orgánicos son bien conocidos y los ácidos grasos como los ácidos fosfónicos son bien conocidos", señaló Joseph Perry, profesor de la Facultad de Química y Bioquímica del Instituto de Tecnología de Georgia ". Pero lo mejor desegún nuestro conocimiento, esta es la primera vez que estos dos tipos de materiales se combinan en dispositivos de almacenamiento de energía de alta densidad ".
La investigación, apoyada por la Oficina de Investigación Naval y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se informó el 14 de julio en la revista Materiales de energía avanzada .
La necesidad de materiales eficientes y de alto rendimiento para el almacenamiento de energía eléctrica ha estado creciendo junto con la demanda cada vez mayor de energía eléctrica en aplicaciones móviles. Los materiales dieléctricos pueden proporcionar una respuesta rápida de carga y descarga, almacenamiento de alta energía y acondicionamiento de energía paraaplicaciones de defensa, médicas y comerciales. Pero ha sido un desafío encontrar un solo material dieléctrico capaz de maximizar la permitividad, la resistencia a la ruptura, la densidad de energía y la eficiencia de extracción de energía.
Perry y sus colegas en el Centro de Fotónica y Electrónica Orgánica de Georgia Tech COPE habían estado trabajando en otros materiales de condensadores para satisfacer estas demandas, pero no estaban satisfechos con el progreso. Los materiales híbridos sol-gel habían demostrado potencial para una energía dieléctrica eficientealmacenamiento debido a su alta polarización orientativa bajo un campo eléctrico, por lo que el grupo decidió buscar estos materiales para las nuevas aplicaciones de condensadores.
Utilizando una película de mylar aluminizada recubierta con el material del condensador híbrido sol-gel, demostraron que el condensador podía enrollarse y volverse a enrollar varias veces mientras se mantenía una alta densidad de energía, lo que demuestra su flexibilidad. Pero todavía estaban viendo una gran fuga de corriente.Para abordar eso, depositaron una monocapa autoensamblada a nanoescala de ácido n-octilfosfónico sobre el sol-gel híbrido. Menos de un nanómetro de espesor, la monocapa sirve como capa aislante.
"Nuestro sol-gel de sílice es un material híbrido porque tiene grupos orgánicos polares unidos al marco de sílice que le da al sol-gel una alta constante dieléctrica, y en nuestro dieléctrico bicapa, los grupos de ácido n-octilfosfónico se insertan entre losLa capa de sol-gel y la capa superior de aluminio para bloquear la inyección de carga en el sol-gel ", explicó Perry." Es realmente un material híbrido de doble capa que toma lo mejor de la polarización de reorientación y los enfoques para reducir la inyección y mejorar la extracción de energía ".
En sus estructuras, los investigadores demostraron densidades máximas de energía extraíble de hasta 40 julios por centímetro cúbico, una eficiencia de extracción de energía del 72 por ciento a una intensidad de campo de 830 voltios por micrón y una densidad de potencia de 520 vatios por centímetro cúbico.el rendimiento excede el de los condensadores electrolíticos convencionales y las baterías de iones de litio de película delgada, aunque no coincide con los formatos de baterías de iones de litio comúnmente utilizados en dispositivos y vehículos electrónicos.
"Esta es la primera vez que veo un condensador batir una batería en densidad de energía", dijo Perry. "La combinación de alta densidad de energía y alta densidad de potencia es poco común en el mundo de los condensadores".
Los investigadores en el laboratorio de Perry han estado haciendo conjuntos de pequeños condensadores de sol-gel en el laboratorio para recopilar información sobre el rendimiento del material. Los dispositivos se fabrican en sustratos pequeños de aproximadamente una pulgada cuadrada.
"Lo que vemos cuando aplicamos un campo eléctrico es que la respuesta de polarización, que mide cuánto se alinean los grupos polares de manera estable con el campo, se comporta de forma lineal", dijo Perry. "Esto eslo que quieres ver en un material dieléctrico de condensador "
El siguiente paso será ampliar los materiales para ver si las propiedades atractivas se transfieren a dispositivos más grandes. Si eso tiene éxito, Perry espera comercializar el material a través de una empresa de nueva creación o un proyecto SBIR.
"La simplicidad de los procesos totalmente basados en soluciones para nuestro sistema de material dieléctrico proporciona un potencial para la fácil ampliación y fabricación en plataformas flexibles", escribieron los autores en su artículo. "Este trabajo enfatiza la importancia de controlar la interfaz dieléctrica del electrodopara maximizar el rendimiento de los materiales dieléctricos para la aplicación de almacenamiento de energía "
Además de Perry, el equipo de investigación incluyó a Yunsang Kim, Mohanalingam Kathaperumal y Vincent Chen de la Escuela Técnica de Química y Bioquímica de Georgia Tech; Yohan Park de la Escuela Técnica de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech; Canek Fuentes-Hernandez y Bernard Kippelen deGeorgia Tech School of Electrical and Computer Engineering, y Ming-Hen Pan del Naval Research Laboratory.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :