美國賓州大學(Penn State University)的研究人員發現了一種方法,能避免高密度超級電容器的電介質(dielectric)被擊穿或是洩漏,特別是將超級電容應用於混合動力/電動車輛等超高溫環境;同時還能提升超級電容的能量密度。

現有的混合動力/電動車輛超級電容解決方案,通常是以雙向拉伸聚丙烯(Biaxially Oriented Polypropylene,BOPP)材料為基礎,這種材料若沒有加裝額外的冷卻裝置,無法耐受車輛內部的高溫運作環境;為此研究人員在設法增加該種聚合物的介電常數(dielectric constant)之餘,又希望能降低其能量會透過熱的形式散失的特性。

為了達成目標,研究團隊開發了一種3D形狀的三明治結構,最頂層與最底層能阻擋來自電極的電賀注入,中央層則是由高介電常數陶瓷/聚合物薄膜材料混合而成;外部層是在聚合物基體中包含了氮化硼(boron nitride)奈米薄片,可以扮演良好的絕緣體,綁住由鈦酸鋇(barium titanate)製作的中央層。

透過阻擋來自電極的電荷注入,這種獨特的3D形狀三明治結構,能有效地保護聚合物/陶瓷複合材料內的高密度電場不被電介質擊穿;根據賓州大學研究團隊所發表的論文,這種解決方案能讓超級電容在高溫環境下連續運作24小時,充放電循環可超過3萬次而性能不墜。

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氮化硼奈米薄片(藍色與白色的原子)可做絕緣體,保護鈦酸鋇中央層(綠色與紫色原子)在高溫環境中的運作
(來源:Wang Lab/Penn State)

與BOPP相較,新的三明治奈米複合材料架構──命名為SSN-x,其中x是根據鈦酸鋇奈米複合材料在中央層所佔的比例──展現了相同的充放電能量,而運作溫度可達到150℃;BOPP材料只能達到70℃的運作溫度。

研究人員強調,新的SSN-x材料的能量密度是BoPP的數倍,使其成為電動車甚至航太應用的理想選擇,因為在這些應用中的超級電容會為了要在高溫環境下穩定運作,而使得能量儲存性能大幅下降。此外,這種複合材料不會發熱,能不必使用笨重且昂貴的冷卻設備。

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目前賓州大學的研究人員正在尋找產業合作夥伴,以進行製造技術方面的研究,並釐清新材料如何能達到大規模生產的競爭力。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:3D Composite Promises High-temp Energy Storage for EVs,by Julien Happich)