Un nuevo polímero capaz de potenciar condensadores

Un nuevo polímero capaz de potenciar condensadores

La estructura del nitruro de boro (abajo) es muy similar a la del grafeno.

La estructura del nitruro de boro (abajo) es muy similar a la del grafeno.

Desde vehículos híbridos y eléctricos hasta exploración subterránea de combustibles fósiles, nuestra búsqueda de soluciones energéticas nos ha colocado cada vez más en situaciones que requieren el almacenamiento y suministro de electricidad en condiciones extremas. Aunque las baterías son la tecnología de almacenamiento dominante, los capacitores son una alternativa con varias ventajas: son livianos, se pueden cargar y descargar con relativa rapidez y no pierden su capacidad de almacenamiento con el tiempo.

Para funcionar correctamente, los condensadores requieren materiales dieléctricos, que se comportan como aislantes y son esenciales para almacenar carga. Los dieléctricos de polímero tienen un rendimiento mejorado en comparación con otros materiales y pueden operar sin fallas en campos eléctricos más altos (llamados mayor resistencia a la ruptura) y una mayor confiabilidad. También tienen el beneficio adicional de ser prácticos, escalables, livianos y fáciles de manejar.

Actualmente, su principal desventaja como material es su incapacidad para trabajar a altas temperaturas, como las requeridas en muchas aplicaciones. Pero finalmente se ha desarrollado un polímero compuesto que parece romper las limitaciones tradicionales de tales materiales, y promete abrir una gama más amplia de usos. Los científicos fabricaron el nuevo material mediante la reticulación de un polímero tradicional incrustado con escamas de nanoláminas de nitruro de boro.

Dieléctricos

Un material dieléctrico ideal inhibiría la fuga de corriente y exhibiría una constante dieléctrica estable, una medida de cuánta carga puede mantener separada. Este polímero compuesto consta de diviniltetrametildisiloxano-bis(benzociclobuteno) reticulado que rodea nanoláminas de nitruro de boro. El nitruro de boro es estructuralmente similar al grafeno y forma láminas de solo un átomo de espesor. El material resultante exhibe propiedades superiores en comparación con todo lo que ya existe.

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Para ver cuán bueno es realmente este nuevo dieléctrico, el equipo comparó sus propiedades con los mejores dieléctricos de polímero del mercado. Examinaron la constante dieléctrica a 104 Hz de corriente alterna, una frecuencia común en el acondicionamiento de energía, ya 300 °C. En estas condiciones, encontraron variaciones menores (menos del 1,7 %) frente al 8 % del mejor sistema existente. También observaron cómo cambiaba la constante dieléctrica bajo corriente continua y encontraron resultados similares.

Como material aislante, es importante que los dieléctricos inhiban la pérdida de energía. El equipo exploró este problema y descubrió que la tasa de pérdida de energía (indicada por el factor de disipación) del material compuesto no aumenta drásticamente a medida que aumenta la temperatura. A 104 Hz, la tasa de pérdida de energía solo aumenta del 0,09 % al 0,13 % cuando la temperatura alcanza los 300 °C. Aunque un dieléctrico de polímero existente tiene características similares, todos los demás pierden más energía a medida que aumenta la temperatura. Cuando se llevaron a cabo las mismas pruebas en el rango de frecuencia de 102 a 106 Hz, el nuevo polímero compuesto volvió a ofrecer la característica más estable.

Los investigadores también evaluaron dos propiedades de almacenamiento de energía capacitiva: la eficiencia del ciclo de carga y descarga y la densidad de energía descargada, a altas temperaturas. Descubrieron que el polímero compuesto superaba a otros polímeros dieléctricos en un amplio rango de temperatura (150 °C a 250 °C).

El rendimiento superior de estos dieléctricos de polímero compuesto se puede atribuir a su mayor capacidad para retener la carga en campos altos a altas temperaturas, lo que reduce la corriente de fuga. Cualquier fuga de corriente generalmente causa pérdida dieléctrica, lo que disminuye la energía de descarga y la eficiencia de carga y descarga, mientras que a menudo genera calor internamente.

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Evita el calor

Por lo general, este tipo de generación interna de calor provoca fallas en los capacitores debido al sobrecalentamiento o la descomposición. En algunos casos, las altas temperaturas pueden provocar un mecanismo de retroalimentación positiva, lo que hace que la temperatura aumente aún más (fuga térmica). A pesar de las muchas ventajas de los dieléctricos de polímeros de ingeniería que ya están en uso, generalmente retienen el calor (técnicamente tienen malas conductividades térmicas), lo que aumenta en gran medida el riesgo de fuga térmica.

Pero el nuevo material tiene conductividades térmicas del orden de 300 a 2000 Wm-1K-1. El amplio rango de conductividad térmica indica que este compuesto polimérico también se puede usar para disipar calor como un intercambiador de calor pasivo (disipador de calor), lo que puede ser útil para muchos dispositivos electrónicos.

Para determinar si se genera calor en estas construcciones, los científicos utilizaron modelos informáticos para simular la temperatura interna en estado estacionario de los polímeros compuestos y las construcciones de polímeros tradicionales. Descubrieron que los dieléctricos de polímeros compuestos exhibían temperaturas internas mucho más bajas que las alternativas existentes.

El equipo también exploró otras formas de hacer el material y descubrió que el curado UV también podría usarse para preparar películas moldeadas en solución. Después de un curado adicional, las películas exhibieron las mismas propiedades dieléctricas que las películas entrecruzadas térmicamente. Este esquema de fabricación es muy útil para aplicaciones electrónicas porque básicamente significa que podemos formar películas estampadas muy fácilmente. Colocar una máscara sobre la solución y hacer brillar la luz ultravioleta sobre la máscara solo permitirá que ciertas áreas se curen con luz.

El equipo también verificó cómo estos materiales resistirían las deformaciones mecánicas extremas que se requieren para otros dispositivos electrónicos flexibles. Sorprendentemente, descubrieron que las propiedades dieléctricas no se veían afectadas por la flexión y la torsión, que probaron mediante la caracterización de películas que se habían doblado y enrollado a temperatura ambiente y 250 °C.

En conjunto, estos resultados muestran que los científicos han fabricado un material dieléctrico verdaderamente notable que tiene el potencial de mejorar la electrónica que funciona en condiciones extremas.

Naturaleza2015. DOI: 10.1038/nature14647 (Acerca de los DOI).

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