高分子三明治，让电动汽车的储能更有效率

材料牛注：三明治将吐司、煎蛋和蔬菜结合，成就一道营养、美味、方便的早餐。在材料界，不同材料简单的结合也可以有令人惊艳的结果。这不，科学家发明的这种三明治可以使高分子材料在不用较大冷却设备的前提下就可以在高温下工作，成就更好的储能材料。

“高分子材料由于具有轻质、可伸缩性、高介电性能可以作为交通工具理想的储能材料。”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授、该研究团队的领导者Qing Wang说，“不过，现今混合动力汽车和电动汽车使用的商用高分子材料BOPP，在没有相当大的冷却设备的前提下不能在高温下工作。”

研究人员需要克服两个方面的问题——稳定性、充放电效率——来实现高分子作为高温储能材料的目的。增加介电常数和电场强度会使像BOPP这样普通的2D高分子薄膜的稳定性和充放电效率降低。电场场强的增强会使材料更多的能量以放热的形式浪费。宾州立大学的研究人员曾经试图通过混合不同的材料来解决这一问题。他们发现，随着材料的储能性能的增强，薄膜在高温下被破坏。

“这就是我们设计这种三明治结构的原因，我们加了上下两层来组织电荷的注入。我们就可以在中间层填充可以提高能量和功率密度的高介电常数陶瓷/聚合物填料。”Wang说，“我们已经证明，这种材料可以在高温下连续工作24h的情况下而不会损坏，充放电长达3000多个周期。”

如图所示，外层聚合物基质中的氮化硼纳米片（蓝色和白色的原子）是高温下良好的绝热材料，中间层是具有高介电常数的钛酸钡层（绿色和紫色的原子）。

和BOPP比较

将BOPP和具有三明治结构的纳米复合物SSN-x（x代表中间层钛酸钡纳米复合材料的百分比）相比较，发现SSN-x在150℃时的充放电效率和BOPP在70℃时的充放电效率相同。SSN-x的能量密度是BOPP的好几倍，在提高系统性能和稳定性的前提下还可以显著降低电子产品的尺寸和重量，这使得SSN-x可以作为电动汽车和航空航天领域理想的储能装置。无需体积庞大、价格昂贵的冷却装置对于BOPP来说是额外的福利。

“我们已经在实验室证明了这种材料的性能，下一步将会和公司或其它做该方面研究的单位合作，看看这种材料能否在合理的成本范围内进行大规模生产。”Wang说，“我们和本部门研究这方面理论的同事Long-Qing Chen合作，正在研究开发一些国家最先进的材料。我们正在研究一个3D材料，我们选取材料，并在特定的位置上组合这些复合纳米材料。理论帮助我们合理的设计材料。”

这项工作由美国海军研究办公室的支持。

原文链接：Scientists Develop “Ideal” Energy Storage Material for Electric Vehicles.

文献链接：Sandwich-Structured Polymer Nanocomposites with High Energy Density and Great Charge-Discharge Efficiency at Elevated Temperatures.

本文由编辑部杨洪期提供素材，朱晓秀编译，点我加入材料人编辑部。