في عالم الإلكترونيات المتطور، يمثل تخزين الطاقة تحديًا كبيرًا. تعرف على كيفية استخدام خليط البوليمر الجديد لتحسين أداء المكثفات.
خليط البوليمر الجديد يمكن أن يساعد في تخزين الطاقة للشبكة والسيارات الكهربائية
مع تزايد الطلب على كثافة الطاقة في الإلكترونيات، أصبح أحد المكونات تحديًا في تصغير حجمه: المكثف. يتطلب صنع مكثف أصغر عادةً تقليل سمك الطبقة العازلة أو مساحة سطح القطب، مما يؤدي غالبًا إلى تقليل الطاقة. يمكن أن يساعد مادة بوليمر جديدة في تغيير ذلك.
في دراسة نُشرت في 18 فبراير في Nature، أفاد فريق بقيادة جامعة ولاية بنسلفانيا عن مكثف مصنوع من خليط بوليمر يمكن أن يعمل في درجات حرارة تصل إلى 250 درجة مئوية بينما يخزن تقريبًا أربعة أضعاف الطاقة التي تخزنها المكثفات البوليمرية التقليدية. تعمل المكثفات البوليمرية المتقدمة اليوم عادةً فقط حتى حوالي 100 درجة مئوية، مما يعني أن المهندسين غالبًا ما يعتمدون على أنظمة تبريد ضخمة في الإلكترونيات ذات الطاقة العالية. وقد قدم فريق البحث طلب براءة اختراع للمكثفات البوليمرية ويخطط لإدخالها إلى السوق.
تقدم المكثفات دفعات سريعة من الطاقة وت stabilizes voltage في الدوائر، مما يجعلها أساسية في التطبيقات التي تتراوح من السيارات الكهربائية والإلكترونيات الجوية إلى بنية الشبكة الكهربائية ومراكز بيانات الذكاء الاصطناعي. ومع ذلك، بينما انخفض حجم الترانزستورات بشكل مستمر مع تقدم تصنيع أشباه الموصلات، لم تتقلص المكونات السلبية مثل المكثفات والمحاثات بنفس الوتيرة.
“يمكن أن تمثل المكثفات 30 إلى 40 في المئة من الحجم في بعض أنظمة الإلكترونيات ذات الطاقة العالية”، يقول كيمينغ زانغ، باحث في الهندسة الكهربائية في جامعة بنسلفانيا ومؤلف الدراسة، موضحًا لماذا من المهم صنع مكثفات أصغر.
خليط البلاستيك أقوى من أجزائه
جمع فريق البحث بين نوعين من البلاستيك الهندسي المتاح تجاريًا: بولي إيثيريميد (PEI)، الذي تم تطويره في الأصل بواسطة جنرال إلكتريك ويستخدم على نطاق واسع في المعدات الصناعية، وPBPDA، المعروف بمقاومته العالية للحرارة والعزل الكهربائي. عند معالجتهما معًا تحت ظروف محكومة، تتجمع البوليمرات في هياكل نانوية تشكل أفلام عازلة رقيقة داخل المكثفات. تساعد هذه الهياكل في تقليل التسرب الكهربائي بينما تسمح للمادة بالاستقطاب بقوة في حقل كهربائي، مما يسمح بتخزين طاقة أكبر.
تظهر المادة الناتجة ثابت عازلي مرتفع بشكل غير عادي – وهو مقياس لمقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن لمادة ما تخزينها. معظم العوازل البوليمرية لها قيم حول الأربعة، لكن العازل البوليمري المدمج في العمل الجديد كان له قيمة 13.5.
“إذا نظرت إلى الأدبيات حتى الآن، لم يصل أحد إلى هذا المستوى من الثابت العازل في هذا النوع من نظام البوليمر”، يقول زانغ. “كان الجمع بين بوليمرين شائعين ورؤية هذا النوع من الأداء مفاجأة للكثيرين.”
نظرًا لأن المادة يمكن أن تظل تعمل حتى في درجات الحرارة المرتفعة – مثل تلك الناتجة عن الحرارة البيئية الشديدة أو النقاط الساخنة في المكونات المدمجة بكثافة – يمكن أن تخزن المكثفات المصنوعة من هذا البوليمر نفس كمية الطاقة في حزمة أصغر.
“مع هذه المادة، يمكنك صنع نفس الجهاز باستخدام حوالي [ربع الكمية] من المواد”، يقول زانغ. “نظرًا لأن البوليمرات نفسها غير مكلفة، فإن التكلفة لا تزيد. في نفس الوقت، يمكن أن يصبح المكون أصغر وأخف وزنًا.”
كيف يحسن خليط البوليمر المكثفات
تعتبر اكتشافات الباحثين “تقدمًا كبيرًا”، كما يقول علامغير كريم، مدير أبحاث البوليمرات في جامعة هيوستن الذي لم يشارك في تطوير جامعة بنسلفانيا. “عادةً عندما تخلط البوليمرات، لا تتوقع أن يزيد الثابت العازل.”
يقول كريم إن التأثير ينشأ على الأرجح من الواجهات النانوية التي تتشكل عندما تفصل البوليمرات جزئيًا. “عند خليط 50-50 تقريبًا، لا تخلط البوليمرات تمامًا بل تخلق منطقة واجهة كبيرة جدًا”، يقول. “قد تكون تلك الواجهات هي مصدر السلوك الكهربائي غير المعتاد.”
إذا كان يمكن إنتاج المادة على نطاق واسع، فقد تساعد في معالجة عنق الزجاجة الرئيسي في الإلكترونيات ذات الطاقة العالية. يمكن أن تقلل المكثفات ذات درجات الحرارة العالية من متطلبات التبريد وتسمح للمهندسين بتعبئة المزيد من الطاقة في أنظمة أصغر – وهي ميزة لمنصات الطيران، والسيارات الكهربائية، والشبكة الكهربائية، وغيرها من البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
لكن ترجمة المفهوم من طرق المختبر إلى التصنيع التجاري قد تقدم تحديات، يقول زونغليانغ شيا، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا. يقوم فريق جامعة بنسلفانيا الآن بإنتاج أفلام عازلة صغيرة، لكن تصنيع المكثفات الصناعية يتطلب عادةً لفات مستمرة من المواد يمكن أن تمتد لعدة كيلومترات.
“تفضل الصناعة عمومًا معالجة القذف لأنه أسهل وأرخص في التحكم”، يقول شيا. “قد complicate الأمور توسيع الإنتاج لإنتاج أطوال كبيرة من الفيلم مع الحفاظ على نفس الهيكل والأداء. هناك إمكانيات، لكنها أيضًا تحديات.”
ومع ذلك، يقول الباحثون إن الاكتشاف يوضح أن حدود الأداء الجديدة قد لا تزال تُفتح باستخدام مواد مألوفة. “تطوير المادة هو فقط الخطوة الأولى”، يقول زانغ. “لكنها تظهر للناس أنه يمكن كسر هذه الحواجز.”
تظهر هذه الاكتشافات أن الابتكارات في المواد التقليدية يمكن أن تؤدي إلى تحسينات كبيرة في تكنولوجيا الطاقة. تابعونا لمزيد من الأخبار حول التطورات العلمية.
