新型3D复合材料可耐受电动车内高温环境

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美国宾州大学(Penn State University)的研究人员发现了一种方法，能避免高密度超级电容器的电介质(dielectric)被击穿或是泄漏，特别是将超级电容应用于混合动力/电动车辆等超高温环境；同时还能提升超级电容的能量密度。
现有的混合动力/电动车辆超级电容解决方案，通常是以双向拉伸聚丙烯(Biaxially Oriented Polypropylene，BOPP)材料为基础，这种材料若没有加装额外的冷却装置，无法耐受车辆内部的高温运作环境；为此研究人员在设法增加该种聚合物的介电常数(dielectric constant)之余，又希望能降低其能量会透过热的形式散失的特性。
为了达成目标，研究团队开发了一种3D形状的三明治结构，最顶层与最底层能阻挡来自电极的电贺注入，中央层则是由高介电常数陶瓷/聚合物薄膜材料混合而成；外部层是在聚合物基体中包含了氮化硼(boron nitride)纳米薄片，可以扮演良好的绝缘体，绑住由钛酸钡(barium titanate)制作的中央层。
透过阻挡来自电极的电荷注入，这种独特的3D形状三明治结构，能有效地保护聚合物/陶瓷复合材料内的高密度电场不被电介质击穿；根据宾州大学研究团队所发表的论文，这种解决方案能让超级电容在高温环境下连续运作24小时，充放电循环可超过3万次而性能不坠。

氮化硼纳米薄片(蓝色与白色的原子)可做绝缘体，保护钛酸钡中央层(绿色与紫色原子)在高温环境中的运作 （来源：Wang Lab/Penn State）

与BOPP相较，新的三明治纳米复合材料架构──命名为SSN-x，其中x是根据钛酸钡纳米复合材料在中央层所占的比例──展现了相同的充放电能量，而运作温度可达到150℃；BOPP材料只能达到70℃的运作温度。
研究人员强调，新的SSN-x材料的能量密度是BoPP的数倍，使其成为电动车甚至航天应用的理想选择，因为在这些应用中的超级电容会为了要在高温环境下稳定运作，而使得能量储存性能大幅下降。此外，这种复合材料不会发热，能不必使用笨重且昂贵的冷却设备。
目前宾州大学的研究人员正在寻找产业合作伙伴，以进行制造技术方面的研究，并厘清新材料如何能达到大规模生产的竞争力。

文章来源：EE Times

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