Sprendima veikia net ir kaitros sąlygomis: sukūrė kondensatorių, keičiantį elektros energetikos ateitį

Šis pasiekimas gali gerokai patobulinti elektros energijos sistemas elektriniuose automobiliuose, duomenų centruose, aerokosminėje technikoje ir kitose aukštos temperatūros aplinkose, kur dabartiniai kondensatoriai greitai praranda funkcionalumą.

Polimeriniai kondensatoriai skirti ne ilgalaikei energijos akumuliacijai, o itin greitiems energijos impulsams. Skirtingai nei baterijos, kurios energiją išskiria lėtai, vykstant cheminėms reakcijoms, kondensatoriai įsikrauna ir išsikrauna labai greitai. Jie padeda stabilizuoti įtampą, palaiko galios elektroniką ir užtikrina staigius energijos šuolius, pavyzdžiui, fotoaparatų blykstėse ar medicininiuose defibriliatoriuose.

Tačiau dauguma komercinių polimerinių kondensatorių pradeda irti jau viršijus 212 °F (apie 100 °C) temperatūrą, todėl jų naudojimas atšiauriomis sąlygomis yra ribotas.

„Penn State“ komanda šią problemą išsprendė sujungdama du komerciškai prieinamus, aukštą temperatūrą atlaikančius plastikų tipus į polimerinį lydinį, kuris savaime susidėlioja į stabilią nanostruktūrą. Taip gauta dielektrinė medžiaga pasižymi 13,5 dielektrine skvarba, palyginti su mažiau nei 4 kiekvienam iš atskirų komponentų.

Dar svarbiau tai, kad ši medžiaga išlaiko tokias savybes itin plačiame temperatūrų diapazone – nuo minus 148 °F (apie –100 °C) iki 482 °F (apie 250 °C). Tai reiškia, kad įrenginiai, naudodami šią medžiagą, galėtų sukaupti keturis kartus daugiau energijos tokiame pačiame tūriniame plote arba sumažėti iki ketvirtadalio dabartinio dydžio neprarasdami našumo.

Aukšta galia ekstremaliose temperatūrose

„Elektrinių transporto priemonių, duomenų centrų, kosminių tyrimų ir kitų sričių pažanga dažnai yra stabdoma būtent dėl polimerinių kondensatorių ribotumo“, – teigė vienas iš darbo bendraautorių Li Li, Pensilvanijos valstijos universiteto Elektros inžinerijos katedros podoktorantūros stažuotojas.

„Įprastus polimerinius kondensatorius būtina aušinti, kad jie veiktų patikimai. Mūsų pasiūlytas sprendimas panaikina šį trūkumą ir leidžia išgauti keturis kartus didesnę galią – arba tokią pačią galią keturis kartus mažesniame įrenginyje.“

Didžioji dalis polimerinių kondensatorių aukštoje temperatūroje sugenda todėl, kad jų ilgos molekulinės grandinės pasiekia stiklo virsmo temperatūrą ir tampa trapios. Didėjant temperatūrai, išauga ir krūvio nuotėkis, o tai silpnina įrenginio veikimą.

Mokslininkai šią problemą sprendė kruopščiai maišydami du karščiui atsparius polimerus – PEI ir PBPDA. Vietoje to, kad visiškai susimaišytų, šios medžiagos išlieka tik iš dalies tirpios viena kitoje ir sudaro trimates sąsajas nanometriniu masteliu.

„Galima maišyti skirtingas šių polimerų proporcijas ir stebėti, kaip kinta savybės – labai panašiai, kaip formuojant metalų lydinius“, – aiškino bendraautorius Guanchun Rui. – „Tinkamai suvaldę ribotą tarpusavio tirpumą, gavome, kiek mums žinoma, pirmąjį polimerinį lydinį, turintį tokį pageidaujamų savybių derinį.“

Nanosąsajos, blokuojančios krūvio nuotėkį

Mikroskopiniai tyrimai ir skaitmeninis modeliavimas parodė, kad savaime susiformavusios sąsajos veikia kaip barjerai, blokuojantys judrųjį krūvį ir mažinantys jo nuotėkį. Dėl to medžiaga gali pasižymėti ir didele energijos tankio verte, ir atsparumu aukštai temperatūrai – savybių deriniu, kurį anksčiau buvo labai sunku suderinti viename dielektriniame polimere.

„Paprastai viename dielektriniame polimere neįmanoma suderinti ir didelio energijos tankio, ir aukštos temperatūros tolerancijos. Mums pavyko tai pasiekti sumaišius du komerciškai prieinamus karščiui atsparius polimerus“, – pabrėžė G. Rui.

Mokslininkai pažymi, kad abi naudojamos medžiagos yra nebrangios ir plačiai prieinamos. Plėvelių gamybai taikomas paprastas technologinis procesas, kuris turėtų palengvinti pramoninį mastelio didinimą. Komanda jau pateikė patento paraišką ir dirba siekdama komercializuoti šią technologiją.