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2024-01-30 12:30:01
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イングリッド・ファデリ著、Phys.org
ロールツーロール溶液製膜装置。 クレジット:ヤン他
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ロールツーロール溶液製膜装置。 クレジット:ヤン他
エンジニアや材料科学者は、エレクトロニクス業界の増大するニーズを満たすために、ますます高度なデバイスの開発に努めてきました。 これらのデバイスには、誘電体表面上の電荷の蓄積を通じて、一対の電極間の誘電体に電気エネルギーを蓄積できるデバイスである静電コンデンサが含まれます。
これらのコンデンサは、電気自動車や太陽光発電 (PV) などのさまざまな技術の重要なコンポーネントです。 これらは多くの場合、優れた本質的な柔軟性と絶縁特性を備えた大きな有機分子で構成される合成物質であるポリマーを誘電体材料として使用して製造されます。
清華大学および中国のその他の研究機関の研究者らは最近、製造のための新しい戦略を導入しました。 ポリマー複合材料 非常に有利な特性を示すサブナノシートが充填されています。 彼らが提案した手法は、 概説した Nature Energy の論文で、ポリマーベースのサブナノ複合フィルムの 100 メートル長のロールの製造を許可しました。
「私たちは清華大学化学科のXun Wang教授と協力して、ポリマーベースのサブナノ複合材料に長年注目してきました」と論文の共著者であるYang Shen氏はPhys.orgに語った。 「私たちの研究 [focuses] ポリマー誘電体の容量性エネルギー貯蔵に関する研究で、これには高い分極、耐破壊性、特に高温での電荷移動の抑制が必要です。」
サブナノマテリアルは、少なくとも 1 つの寸法の長さが 1 nm 未満のマテリアルです。 これらの材料は、サブナノワイヤー、サブナノシート、サブナノベルトなど、さまざまな形状や形態をとることができます。 過去の研究では、サブナノマテリアルがさまざまな症状を示すことがわかっています。 斬新な特徴 これらの特性により、複合誘電体用のフィラーとして有望になります。
「まず、同等のサイズのおかげで、 ポリマー鎖「つまり、1 nmのサブナノマテリアルは優れた柔軟性を示します。つまり、形状を調整して界面の空隙を排除し、複合材料の緻密な界面を融合させることができます」とシェン氏は説明しました。そして超大きな比表面積により、電荷トラップや降伏経路の妨害など、ナノフィラーよりもはるかに顕著な界面現象が引き起こされます。」
ポリオキソメタレート (POM) ベースのサブナノマテリアルは、通常、POM クラスターを 1 次元または 2 次元で組み立てることによって製造されます。 このプロセスから得られる独特の構造により、これらの材料は金属カチオン還元として知られる反応を介して多くの電子を捕捉して蓄えることができるため、誘電体デバイスで電気エネルギーを変換する代替の有望なアプローチが提供されます。
「近年、私たちはサブナノマテリアルをフィラーとして採用することを試み、ポリマーベースのサブナノ複合材料を研究しました」とShen氏は述べた。 「当初は、 私たちはサブナノワイヤーに焦点を当てました そして、分極が予想外に強化されることを発見しました。 この最近の研究では、サブナノシートに注目し、破壊強度の大幅な向上が強調されました。」
研究者らは、最初にいくつかの技術的なハードルを克服する必要があったため、しばらくの間、高品質のポリマーサブナノ複合材料の製造に挑戦してきました。 まず、材料の合成に適した溶媒を特定する必要がありました。
大型ポリマーサブナノ複合誘電体フィルム。 クレジット:ヤン他
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大型ポリマーサブナノ複合誘電体フィルム。 クレジット:ヤン他
「ポリマーとサブナノマテリアルに適した溶媒はまったく異なります。つまり、前者はN,N-ジメチルホルムアミド（DMF）またはN-メチルピロリドン（NMP）、後者はクロロホルムまたはシクロヘキサンです」とシェン氏は述べた。
「当初、溶媒としてクロロホルムを選択しましたが、沸点が低く蒸発が速いため、複合フィルムの溶液キャストプロセスが非常に困難になりました。その後、DMF/NMP に目を向けたところ、サブナノマテリアルが不適切に分散されていることがわかりました。」
DMF/NMP 溶媒を使用する際に直面する課題を克服するために、研究者らは材料の激しい撹拌や超音波処理などのさまざまな分散プロセスを採用しました。 これにより、最終的にはサブナノマテリアルがフィルム内に確実に均一に分散されるようになりました。
最終的に、Shen 氏と彼の同僚は、フィラー含有量が 1 wt% 未満の高品質のサブナノ複合材料を実現することができ、材料の誘電性能を大幅に向上させるのに十分であることを発見し、1 回の充電で 7.2 J cm-3 という超高 Ud を実現できました。 – 90% の放電効率と、200 °C で最大 5 × 105 サイクルの充放電サイクル安定性。
「従来のナノコンポジットとは異なり、当社のサブナノコンポジットは依然として優れた柔軟性を備えており、これは産業用ロールツーロール製造および複数の構成での応用に対する幅広い将来性を示唆しています」とシェン氏は述べています。 「さらに、サブナノマテリアルは多くの一般的な耐熱ポリマーに改善効果があることが証明されており、容量性エネルギー貯蔵におけるサブナノマテリアルの汎用性がさらに裏付けられています。」
研究の一環として、研究者らは、研究室に設置された溶液製膜装置を使用して、長さ 100 メートルのサブナノ複合フィルムのロールを製造することができました。 注目すべきことに、それらの製造方法はスケールアップが容易であるようであり、したがってサブナノ複合材料のロールツーロール連続製造を可能にする可能性がある。
「従来のナノ複合誘電体に関しては、高含有率の硬質無機ナノフィラーが原因で、界面にいくつかの欠陥や空隙が存在します」とShen氏は述べた。
「ロールツーロール製造中に、これらの界面欠陥によりマイクロクラックが形成され、柔軟性が大幅に低下し、ナノコンポジットフィルムの工業的製造が妨げられます。対照的に、当社のサブナノコンポジットは、固有の柔軟性と柔軟性により、優れた柔軟性を維持し、緻密な界面を持ちます。」サブナノマテリアルのポリマーに対する良好な界面適合性。」
Shen と彼の同僚は、彼らが製造した長さ 100 メートルのポリマーと無機のサブナノ複合体が、安定したエネルギー貯蔵性能と信頼性の高い特性を示すことを発見しました。 将来的には、彼らが提案した方法によってサブナノ複合材料の大規模製造が可能になることを期待している。 誘電体材料これにより、さまざまなデバイスへの統合が容易になる可能性があります。
研究者らは次の研究で、エネルギー貯蔵コンデンサー用のポリマーと無機のサブナノ複合材料の製造を引き続き探索する予定である。 彼らは、サブナノ複合材料の性能をさらに向上させることに加えて、その製造をますます簡素化したいと考えています。
「一方で、私たちはサブナノスケールでポリマーと無機フィラーの間の相互作用を研究し続け、それが容量性エネルギー貯蔵に及ぼす影響を実証するつもりです」とShen氏は付け加えた。
「サブナノ無機物は、優れた構造適合性とポリマー鎖と同様のスケールを示すことが判明し、それらの間に化学結合を導入し、界面のないハイブリッド誘電体を形成することを私たちに示唆しました。一方で、私たちはそれらの量産と応用も促進したいと考えています」フィルムコンデンサーで。」
「サブナノコンポジットは誘電体膜のロールツーロール連続製造に有望であることを示しましたが、原材料の高コストや時間のかかるサブナノマテリアルの合成など、克服すべき障害はまだ多くあります。」
詳しくは：
Minzheng Yang et al、200 °C での高いエネルギー密度とサイクル安定性を示すサブナノシートを充填したロールツーロール製造ポリマー複合材、Nature Energy (2024)。 DOI: 10.1038/s41560-023-01416-3
雑誌情報:
自然エネルギー
© 2024 サイエンス X ネットワーク
#サブナノ複合誘電性ポリマーの長いロールを製造する方法