Polimeri e nanolastre per lo stoccaggio di energia

Un nuovo materiale composito leggero per lo stoccaggio di energia all’interno di componenti elettronici flessibili, veicoli elettrici e applicazioni aerospaziali ha dimostrato, in via sperimentale, di essere in grado di immagazzinare energia a temperature operative di gran lunga superiori a quelle sopportate dai polimeri attualmente in commercio: è quanto riferisce un team di ricercatori della Pennsylvania State University. Questo materiale ultrasottile, a base polimerica, inoltre, può essere fabbricato con tecnologie già in uso in ambito industriale.
“Questo progetto fa parte di una serie di ricerche svolte in laboratorio su materiali dielettrici per applicazioni a temperature elevate, destinati alla produzione di condensatori”, ha spiegato Qing Wang, docente di ingegneria e scienze dei materiali presso l’università della Pennsylvania. “Prima di dedicarci a questo lavoro, avevamo già sviluppato un materiale composito costituito da nanolastre di nitruro di boro e polimeri dielettrici, ma abbiamo incontrato problemi significativi quando si è trattato di produrlo su larga scala a costi economici”.

I materiali bidimensionali

La scalabilità, ovvero la fabbricazione di materiali avanzati per dispositivi in quantità rilevanti dal punto di vista commerciale, rappresenta il banco di prova definitivo per molti dei nuovi materiali bidimensionali sviluppati nei laboratori accademici.
“Dal punto di vista dei materiali morbidi, i materiali bidimensionali hanno il loro fascino, ma la loro produzione su larga scala rappresenta un problema”, ha sottolineato Wang. “Inoltre, la possibilità di combinarli con materiali polimerici rappresenta una caratteristica irrinunciabile affinché possano essere impiegati nelle applicazioni di elettronica flessibile e nei dispositivi elettronici del futuro”.
Al fine di risolvere questo problema, il laboratorio di Wang ha collaborato con un gruppo dell’università specializzato nello studio dei cristalli bidimensionali.
“L’idea di questo progetto è nata durante un confronto tra un mio specializzando, Amin Azizi, e uno specializzando del dottor Wang, Matthew Gadinski”, ha rivelato Nasim Alem, assistente di ingegneria e scienze dei materiali e membro di facoltà in forza al centro per i materiali bidimensionali e stratificati (Center for 2-Dimensional and Layered Materials) della Pennsylvania State University. “Si tratta del primo vero esperimento in cui un materiale polimerico morbido viene unito a un materiale cristallino bidimensionale rigido per creare un dispositivo dielettrico funzionale”.

Deposizione chimica da vapore

Azizi, attualmente impegnato in un post-dottorato all’Università della California, Berkeley, e Gadinski, oggi ingegnere senior presso Dow Chemical, hanno sviluppato una tecnologia innovativa che sfrutta la deposizione chimica da vapore per realizzare film nanocristallini multistrato di nitruro di boro esagonale e trasferirli su entrambi i lati di un film di polietereimmide (PEI). Successivamente, hanno unito i due film applicando pressione, creando una struttura a sandwich costituita da tre strati. Con grande sorpresa degli stessi ricercatori, la sola pressione è stata sufficiente, senza l’aggiunta di alcun legante chimico, a ottenere un film indipendente abbastanza resistente da poter essere fabbricato con un processo roll-to-roll a elevata produttività.
“In linea teorica, tutti questi polimeri ad alte prestazioni, tanto preziosi dal punto di vista commerciale, possono essere rivestiti con nanolastre al boro per bloccare l’iniezione di carica”, ha spiegato Wang. “Penso che ciò renderà questa tecnologia idonea per una futura commercializzazione”.
Alem ha poi aggiunto: “Esistono numerosi dispositivi fabbricati con cristalli bidimensionali su scala di laboratorio, ma presentano difetti che rendono la loro produzione problematica. Un materiale con una banda proibita ampia come il nitruro di boro riesce a risolvere il problema, nonostante la presenza di piccole caratteristiche microstrutturali che potrebbero rivelarsi non proprio ideali”.
Calcoli da principi primi hanno rivelato che la barriera di elettroni generata all’interfaccia tra la struttura in PEI/nitruro di boro esagonale e gli elettrodi metallici applicati ad essa per fornirle corrente, è sensibilmente maggiore rispetto a quella che si forma normalmente al contatto tra elettrodi metallici e polimeri dielettrici, rendendo più difficile l’iniezione delle cariche dall’elettrodo nel film.

Il PEI rivestito con nanolastre di nitruro di boro esagonale (hBN) superano di gran lunga le prestazioni degli altri polimeri disponibili sul mercato alle temperature operative richieste per l’impiego nei veicoli elettrici e nel settore aerospaziale. Foto: Feihua Liu/Pennsylvania State University

Il nitruro di boro esagonale

Il nitruro di boro esagonale è un materiale caratterizzato da un’ampia banda proibita e da un’elevata resistenza meccanica. L’ampia banda proibita ne fa un buon isolante, e protegge il film di PEI da eventuali inconvenienti dielettrici a temperature elevate, responsabili dei guasti ad altri condensatori polimerici. A temperature operative superiori ai 176 gradi Fahrenheit, i migliori polimeri attualmente disponibili sul mercato iniziano infatti a perdere efficienza; il PEI rivestito con nitruro di boro esagonale, invece, è in grado di mantenere un’efficienza elevata a oltre 392 gradi Fahrenheit. Durante i test, il PEI rivestito è rimasto stabile per oltre 55.000 cicli di carico-scarico anche ad alte temperature.

Long-Qing Chen, titolare della cattedra W. Hamer di ingegneria e scienze dei materiali, docente di meccanica, scienze ingegneristiche e matematica presso la Pennsylvania State University

Il gruppo di lavoro

Il lavoro descritto è stato svolto dal gruppo di ricerca teorica di Long-Qing Chen, titolare della cattedra W. Hamer di ingegneria e scienze dei materiali, docente di meccanica, scienze ingegneristiche e matematica presso la Pennsylvania State University.
Hanno inoltre fornito il proprio contributo il post-dottorando Qi Li e lo specializzando Feihua Liu, del laboratorio di Wang; il laureando Mohammed Abu AlSaud, in forza al laboratorio di Alem; il ricercatore senior Jianjun Wang, il post-dottorando Yi Wang, e lo specializzando Bo Wang, tutti appartenenti al gruppo di Chen.
Il progetto è stato finanziato dall’Ufficio per le ricerche navali degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.