清华电机系李琦金沙贵宾会:,美国研发新型薄

2019-09-28 作者:汽车资讯   |   浏览(65)

随着电动汽车市场的快速发展,更短的充电时间,更长的续航里程对动力电池提出了挑战。在续航里程方面,需要有高储能能力的装置,而功率密度和能量密度无疑是两个重量级因素。超级电容在储能方面有着自己的优势。

随着电动汽车市场的快速发展,更短的充电时间,更长的续航里程对动力电池提出了挑战。在续航里程方面,需要有高储能能力的装置,而功率密度和能量密度无疑是两个重量级因素。超级电容在储能方面有着自己的优势。

金沙贵宾会,清华电机系李琦、何金良在高温电容器介质薄膜方面取得重要进展


清华新闻网10月12日电 10月3日,清华大学电机系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先进材料》期刊上发表了题为《一种显著提高聚合物电介质高温储能特性的通用化、高通量、环境友好的制备方法》的研究论文。该论文提出了一种可规模化的高温聚合物电容器薄膜制备方法,可大幅提高聚合物电容器薄膜在高温下的介电储能特性,有望与现有聚合物电容器薄膜制备生产线相结合实现产业化,解决电容器在电力电子、航空航天和电动汽车电控系统中面临的过热损坏难题。

电介质电容器具有极快的充放电效率和超高的功率密度,是一类极其重要的功率型储能器件,在电网调频、电磁武器、电力电子变换器、新能源汽车以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。然而以聚合物电介质材料为主体的薄膜电容器热稳定性差,无法在高温环境下稳定工作。尤其在高电场作用下,温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升趋势,造成充放电效率及储能密度急剧下降,无法满足应用需求。更严重的是,泄漏电流转变成焦耳热,使电容器温度持续上升,最终损坏。长期以来,国内外学者主要通过纳米掺杂来提升电容薄膜的高温介电储能性能,但目前无法实现规模化制备及应用。工业界的解决方法是引入冷却系统将工作环境温度降至电介质材料最高使用温度以下。例如,丰田普锐斯混合动力汽车电控系统使用冷却系统将环境温度从120-140摄氏度降至70-80摄氏度。然而,冷却系统的存在无疑会增加动力系统的质量和体积,降低燃料使用效率。

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高温电容器聚合物电介质薄膜规模化处理的工艺方法示意图

为解决上述问题,课题组提出采用等离子体增强化学气相沉积技术在聚合物薄膜表面快速沉积具有宽能带隙的纳米绝缘层,以提高电极/介质界面处的电荷注入势垒,从而抑制聚合物电介质薄膜在高温下的泄漏电流,大幅提高了聚合物电介质薄膜在高温、高电场下的储能特性。该方法能够实现在大气压条件下快速沉积,具备连续处理的能力;其室温沉积特性使得该方法直接适用于任意聚合物介质薄膜。通过引入卷对卷薄膜加工技术和动态沉积,可实现规模化、连续化生产。该方法具有无污染、简便、高效、低成本等特点,并且可与现有聚合物电容器薄膜生产线相兼容。目前课题组已在该技术领域申请多项国内专利和PCT专利,并正与相关企业联合进行产业化开发。

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薄膜沉积区照片、电介质薄膜表面纳米绝缘层断面扫描电镜图和薄膜高温介电储能特性

近年来,李琦副教授专注于先进电介质材料的基础研究和产业化开发,在材料结构设计和加工方法等领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然》、《美国科学院院刊》、《先进材料》、《材料研究年度评述》等期刊上。

该论文第一作者为清华大学电机系2014级博士生周垚,通讯作者为清华大学电机系李琦副教授、何金良教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授,合作者还包括清华大学电机系曾嵘教授、胡军副教授及中科院电工研究所邵涛教授。该研究成果得到了国家自然基金面上项目和北京市自然基金的支持。

论文链接:

供稿:电机系 编辑:华山 审核:襄楠

不过现在的超级电容却有一个缺点:其所使用的BOPP隔膜(一种双向高分子聚合物),并不能工作在高温条件下,尤其对于汽车这种应用环境,必须要有额外的制冷设备。这一问题也导致汽车的重量及制造成本的增加。

不过现在的超级电容却有一个缺点:其所使用的BOPP隔膜(一种双向高分子聚合物),并不能工作在高温条件下,尤其对于汽车这种应用环境,必须要有额外的制冷设备。这一问题也导致汽车的重量及制造成本的增加。

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最近来自宾夕法尼亚大学的研究表明:由高分子聚合物和陶瓷合成的新型复合材料,可能有助于解决这个问题。

最近来自宾夕法尼亚大学的研究表明:由高分子聚合物和陶瓷合成的新型复合材料,可能有助于解决这个问题。

之前的研究主要集中在由纳米陶瓷和高分子聚合物合成的双向薄膜复合材料。虽然该复合材料能够抵抗较高的工作温度,并且实现较好的充放电效率,但是也存在一个明显的缺点:介电常数较低,或者在外加电场下易于发生分解。这会使电池的能量密度低到不能接受的地步。

之前的研究主要集中在由纳米陶瓷和高分子聚合物合成的双向薄膜复合材料。虽然该复合材料能够抵抗较高的工作温度,并且实现较好的充放电效率,但是也存在一个明显的缺点:介电常数较低,或者在外加电场下易于发生分解。这会使电池的能量密度低到不能接受的地步。

目前,宾夕法尼亚大学的研究人员正在开发一种称之为SSN-x的夹层复合材料,这种材料不但可以在高温下使用,而且介电常数很高,研究院人员将他们的发现发表在了8月22号的《美国国家科学院院刊》上。

目前,宾夕法尼亚大学的研究人员正在开发一种称之为SSN-x的夹层复合材料,这种材料不但可以在高温下使用,而且介电常数很高,研究院人员将他们的发现发表在了8月22号的《美国国家科学院院刊》上。

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氮化硼纳米片充当绝缘体,能够在高温能量存储中保护处于中层的硝酸钡

氮化硼纳米片充当绝缘体,能够在高温能量存储中保护处于中层的硝酸钡

SSN- X夹层的外层是由c—BCB聚合物基质上的氮化硼纳米片合成的材料。外层这种复合材料充当着绝缘体的角色,阻止了从电容装置的电极进行充电。由于外层材料 的性质,科学家专注于调整由钛酸钡纳米粒子和c-BCB合成的中心层材料配方,使其中心层材料具有高的介电常数。夹层结构和中心层配方的调整极大提高了 SSN-X夹层复合材料的能量密度和功率密度。

SSN- X夹层的外层是由c—BCB聚合物基质上的氮化硼纳米片合成的材料。外层这种复合材料充当着绝缘体的角色,阻止了从电容装置的电极进行充电。由于外层材料 的性质,科学家专注于调整由钛酸钡纳米粒子和c-BCB合成的中心层材料配方,使其中心层材料具有高的介电常数。夹层结构和中心层配方的调整极大提高了 SSN-X夹层复合材料的能量密度和功率密度。

宾夕法尼亚州立大学的材料科学家兼首席研究员王庆说到,“以前,人们只专注于双向薄膜材料,并通过调整其材料成分来改变材料特性,现在我们把目光放在了三向结构,这为我们调整材料成分和优化材料性能提供了更大空间。”

宾夕法尼亚州立大学的材料科学家兼首席研究员王庆说到,“以前,人们只专注于双向薄膜材料,并通过调整其材料成分来改变材料特性,现在我们把目光放在了三向结构,这为我们调整材料成分和优化材料性能提供了更大空间。”

在实验中研究人员发现,SSN-x复合材料可以在150°C条件下工作,(这个实验温度足以让它经受得住电动汽车工作温度的考验)实验中,SSN-x复合材 料经受住了24小时,并且多达30,000多次的连续充放电考验,并没有发生充放电退化迹象。在高温条件下,从能量密度,功率密度,充放电效率,材料分解 前的充放电次数来讲,SSN-X复合材料的性能要远远优于最先进的高分析聚合物。

在实验中研究人员发现,SSN-x复合材料可以在150°C条件下工作,(这个实验温度足以让它经受得住电动汽车工作温度的考验)实验中,SSN-x复合 材 料经受住了24小时,并且多达30,000多次的连续充放电考验,并没有发生充放电退化迹象。在高温条件下,从能量密度,功率密度,充放电效率,材料分解 前的充放电次数来讲,SSN-X复合材料的性能要远远优于最先进的高分析聚合物。

“目前,我们希望这种材料可以以经济的成本进行大批量生产”,王庆说道,同时也希望和电子工程以及系统工程师一起探究将这种材料有效集成到混合动力和纯电动汽车上的方法”。

“目前,我们希望这种材料可以以经济的成本进行大批量生产”,王庆说道,同时也希望和电子工程以及系统工程师一起探究将这种材料有效集成到混合动力和纯电动汽车上的方法”。

车云菌知识TIP:

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BOPP:BOPP 是“Biaxially Oriented Polypropylene”的简称,即双向拉伸聚丙烯薄膜。它的生产是将高分子聚丙烯的熔体首先通过狭长机头制成片材或厚膜,然后在专用的拉伸机内,在 一定的温度和设定的速度下,同时或分步在垂直的两个方向上进行的拉伸,并经过适当的冷却或热处理或特殊的加工制成的薄 膜。

BOPP:BOPP 是“Biaxially Oriented Polypropylene”的简称,即双向拉伸聚丙烯薄膜。它的生产是将高分子聚丙烯的熔体首先通过狭长机头制成片材或厚膜,然后在专用的拉伸机内,在 一定的温度和设定的速度下,同时或分步在垂直的两个方向上进行的拉伸,并经过适当的冷却或热处理或特殊的加工制成的薄 膜。

介电常数:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场与介质中电场的比值即为相对。

介电常数:介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场与介质中电场的比值即为相对。

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