Électronique flexible : un nouveau matériau pour stocker de l’énergie à haute température

Une équipe de chercheurs de l’Université Park de Pennsylvanie en collaboration avec des ingénieurs d’un centre de recherche de l’Université Penn State a créé un polymère ultrafin, renforcé par un matériau bidimensionnel possédant des propriétés de stockage d’énergie très performantes à température ambiante. Ce matériau peut être utilisé à des températures beaucoup plus élevées que les matériaux commercialisés, pour répondre aux besoins des véhicules électriques, de l’industrie spatiale, de l’électronique flexible et d’autres.

Cette innovation résulte des travaux d’une équipe de recherche dirigée par Qing Wang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université Penn State. Cette équipe avait déjà conçu un composite de feuilles de nanomatériaux en nitrure de bore et de polymères diélectriques. Le composite créé était toutefois très difficile à mettre à l’échelle (redimensionnement du matériau) de façon économique.

Le groupe de recherche de Wang, qui travaille sur les polymères fonctionnels et les nanocomposites polymères, a collaboré avec une équipe du Centre de matériaux bidimensionnels et en couches dirigée par Nasim Alem, un professeur en sciences et génie des matériaux de l’Université Penn State. Il s’agit de la première étude cherchant à combiner un polymère souple et un matériau cristallin 2D pour la réalisation d’un composant diélectrique. Les chercheurs ont pu réaliser un matériau très résistant à base de nitrure de bore hexagonal et de polyétherimide (PEI).

Propriétés du PEI recouvert de nitrure de bore hexagonal

Le nitrure de bore hexagonal est un matériau à large bande qui se caractérise par une forte résistance mécanique. Sa grande largeur de bande interdite en fait un bon isolant. Il permet notamment de protéger le film PEI du claquage diélectrique à température élevée, ce dernier causant la défaillance des autres condensateurs de polymères développés dans ce type de recherche universitaire. Un matériau diélectrique commence à perdre son efficacité lorsque la température environnante atteint 80 degrés Celsius. Or le matériau, réalisé par ces équipes, reste efficace même dans des milieux dont la température dépasse 200^o C. Cette caractéristique a été démontrée à la suite de tests de plus de 55 000 cycles de charge-décharge électrique.

Wang souligne que le nitrure de bore hexagonal peut aussi être utilisé comme revêtement pour d’autres types de polymères électro-actifs.

Réalisation du matériau

L’étudiant Amin Azizi, post-doctorant à la UC Berkeley et Matthew Gadinski, ingénieur sénior à DOW Chemical ont développé un processus de fabrication utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour déposer des films multicouches de nitrure de bore hexagonal et de nanocristaux sur les deux faces d’un film de polyétherimide (PEI). Ils ont ensuite relié les films sous forme de structure sandwich à trois couches en appliquant une pression.

Le dépôt chimique en phase vapeur

Les chercheurs ont constaté avec surprise, lors de la réalisation du matériau, que l’adhésion des couches de ce polymère diélectrique ne nécessitait pas de liant chimique. Ainsi la production du matériau peut être effectuée par un procédé  rouleau à rouleau de haut débit, procédé de plus en plus accessible en fabrication de l’électronique flexible.

Le procédé rouleau à rouleau

Les premiers calculs réalisés par le groupe de recherche dirigé par Long-Qing Chen, professeur de sciences et d’ingénierie des matériaux, et Donald W. Hamer, professeur de sciences, de mécanique et de mathématiques, à l’Université Penn State, ont démontré que l’isolation électrique de l’interface située entre le nouveau matériau et les électrodes métalliques est beaucoup plus élevée que celle des polymères diélectriques existants sur le marché.

L’étude s’intitule « High-performance Polymers Sandwiched with Chemical Vapor Deposited Hexagonal Boron Nitrides as Scalable High-Temperature Dielectric Material ». Elle a été publiée le 17 juillet 2017 dans le journal Advanced Materials. La recherche a été financée par l’US Office of Naval Research et la National Science Foundation.