Jak materiały papierowe o wysokiej przewodności cieplnej mogą zmienić technologie elektroniki i baterii?

Materiały papierowe o wysokiej przewodności cieplnej, zawierające nanocelulozę (CNF) oraz różne dodatki, wykazują znaczną poprawę właściwości termicznych i mechanicznych, co znajduje szerokie zastosowanie w nowoczesnych technologiach, takich jak elektronika elastyczna, zarządzanie ciepłem w akumulatorach oraz materiały stosowane w systemach chłodzenia elektroniki. Ich wyjątkowe właściwości wynikają z interakcji wodorowych między matrycą a wypełniaczem, co poprawia zgodność i adhezję na interfejsie materiałów. Użycie materiałów w formie pianki 3D z CNF i dwóch różnych średnic AlN, uzyskanych za pomocą odlewania w niskiej temperaturze, pozwala na stworzenie ciągłego kanału przewodzenia ciepła wewnątrz kompozytu. Dobrze dobrana kompozycja CNF do wsparcia strukturalnego i odpowiednia proporcja AlN@CNF do AlN zapewniają jednorodne rozmieszczenie w matrycy, a także redukcję rozpraszania fononów, co korzystnie wpływa na poprawę wydajności termicznej materiału.

Termoprzewodzące materiały papierowe mają również zastosowanie w zarządzaniu temperaturą akumulatorów, szczególnie w nowoczesnych pojazdach elektrycznych i przenośnych urządzeniach. Dbanie o odpowiednią temperaturę pracy akumulatorów wydłuża ich żywotność i poprawia efektywność. Jednowymiarowa struktura jednostek anhydroglukozy w celulozie, zawierająca grupy funkcjonalne, takie jak OH, stabilizuje wydajność cykliczną akumulatorów Li, umożliwiając im długotrwałą pracę oraz wspomagając transport jonów litu. Dopingowanie celulozy dodatkami poprawia właściwości mechaniczne, termiczne i optyczne materiałów, umożliwiając tworzenie kompozytów o wyższej wydajności. Takie materiały są wykorzystywane w ogniwach, separatorach i elektrolitach akumulatorów, które mogą być bardziej ekologiczne i wydajne.

W branży opakowań, materiały o wysokiej przewodności cieplnej stają się kluczowe w zabezpieczaniu produktów wrażliwych na temperaturę, takich jak leki, elektronika czy żywność. Wysoka przewodność cieplna materiałów opakowaniowych pomaga w utrzymaniu optymalnej temperatury w trakcie transportu, co jest szczególnie ważne w chłodnym łańcuchu dostaw. W przemyśle spożywczym, np. dla owoców i warzyw, wykorzystanie materiałów o wyższej przewodności cieplnej w opakowaniach pomaga w szybszym transferze ciepła, co poprawia efektywność chłodzenia i zmniejsza straty pożniwne. Badania wskazują również na możliwość stosowania materiałów takich jak mata nanowłóknista składająca się z boronowego azotku, polikaprolaktonu i chitozanu, która wykazuje wysoką przewodność cieplną, stabilność termiczną i działanie antybakteryjne.

Innowacje w zakresie zarządzania ciepłem w materiałach są niezbędne, aby sprostać wymaganiom współczesnych technologii, zwłaszcza w kontekście miniaturyzacji urządzeń elektronicznych i zwiększonych wymagań dotyczących wydajności akumulatorów. Papiery termoprzewodzące, ze względu na swoje właściwości mechaniczne i termiczne, odgrywają kluczową rolę w rozwoju nowoczesnych systemów elektroniki, baterii i materiałów opakowaniowych.

Jakie właściwości mają elastyczne, przezroczyste elektrodowe materiały na bazie nanodrutu srebra?

W badaniach Kim et al. (2017) wskazano, że różne warstwy ochronne, takie jak zredukowany tlenek grafenu (rGO) czy nanorurki węglowe (CNTs), poprawiają trwałość elektryczną warstw AgNW. Ochrona ta wpływa na poprawę właściwości mechanicznych, chemicznych i termicznych elektrod, dzięki czemu są one bardziej odporne na ścieranie, zginanie czy inne uszkodzenia mechaniczne. Istotnym krokiem ku dalszej poprawie właściwości elastycznych elektrod AgNW jest dodanie do nich cienkich warstw polimerowych, takich jak poliakrylat czy poliimid. Takie powłoki znacząco zwiększają odporność elektrod na deformacje przy zginaniu, co czyni je jeszcze bardziej funkcjonalnymi.

Warto zwrócić uwagę, że rozmiar nanodrutów srebra ma istotny wpływ na wydajność końcowego materiału. Im mniejsze średnice AgNW, tym mniejsze rozpraszanie światła, co poprawia przezroczystość materiału. Dodatkowo, dłuższe nanodruty srebra umożliwiają lepsze połączenia między cząstkami, co prowadzi do obniżenia rezystancji powierzchniowej. AgNW/polimerowe kompozyty zmniejszają również chropowatość powierzchni elektrod, co jest istotnym czynnikiem przy poprawie jakości przezroczystości i estetyki materiału.

W badaniach Hu et al. (2009) pokazano, że elektrody wykonane z kompozytu nanocelulozy i CNTs z dodatkiem AgNW wykazują doskonałe parametry elektryczne i mechaniczne. Dzięki strukturze kompozytu, elektrody te pozostają elastyczne i odporne na uszkodzenia nawet przy 100-krotnym zgięciu do promienia 2 mm. Taki materiał łączy elastyczność poszczególnych komponentów, siłę wiązania między CNT a celulozą oraz porowatą strukturę papieru celulozowego, która znacząco zmniejsza stres zginający. Z tego powodu takie elektrody cechują się wysoką odpornością na uszkodzenia mechaniczne, takie jak rysy czy odklejanie się warstwy.

Technologia wytwarzania elastycznych transparentnych elektrod przy wykorzystaniu nanodrutów srebra jest kluczowa w produkcji urządzeń optoelektronicznych, takich jak ogniwa słoneczne, fotodetektory, diody LED i różnorodne czujniki optyczne. Takie urządzenia wymagają nie tylko elastyczności, ale także wysokiej przezroczystości elektrod. Dwa główne typy elektrod transparentnych to te, które są transparentne z natury oraz te, które stają się przezroczyste po zmniejszeniu grubości materiału. Metalowe cienkowarstwowe filmy, na przykład ze srebra, mogą stać się przezroczyste przy grubości poniżej 10 nm, zachowując ciągłość elektryczną i dobre właściwości elektryczne. Jednak warto pamiętać, że im cieńszy materiał, tym gorsze parametry elektryczne. W związku z tym, przy projektowaniu przezroczystych urządzeń, należy znaleźć kompromis pomiędzy przezroczystością a przewodnością elektryczną materiału.

W przypadku elektrod nanodrutowych, srebro jest najczęściej wykorzystywane, ponieważ posiada najniższą oporność elektryczną oraz minimalne straty optyczne w widzialnym zakresie spektrum. Wysoka stosunkowa długość nanodrutów umożliwia osiągnięcie bardzo niskiej koncentracji nanodrutów przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości przewodzących, co przekłada się na materiał o niskiej gęstości i wysokiej transparentności. Dlatego też zastosowanie nanodrutów srebra w elastycznych transparentnych elektrodach stało się jednym z najbardziej obiecujących kierunków w dziedzinie technologii elastycznych materiałów przewodzących.