Protección mediante patente para baterías de iones de aluminio en China
Profesor Gao Chao
El Grupo de Investigación de Nanopolímeros del Departamento de Polímeros de la Universidad de Zhejiang está dirigido por el Profesor Gao Chao, ganador del Fondo Nacional para Jóvenes Destacados. Actualmente, el grupo de investigación cuenta con 1 profesor, 1 asistente de cátedra, 3 becarios postdoctorales, 1 estudiante de doctorado, 5 estudiantes de maestría y 1 becario postdoctoral capacitados conjuntamente por empresas. Hay tres laboratorios de grafeno, nuevos materiales energéticos y química de polímeros, así como el centro de investigación conjunto 1 "Universidad de Zhejiang-Carbon Valley Shangxi".
El equipo ha estado comprometido durante mucho tiempo con la preparación a gran escala y la investigación de macroensamblaje de óxido de grafeno de una sola capa, descubrió las propiedades del cristal líquido del óxido de grafeno e inventó la fibra de grafeno, la tela no tejida de grafeno, y ensamblaje continuo de grafeno, el aerogel de grafeno del material más liviano, cuatro macromateriales de grafeno puro (denominados F4) y desarrollo de óxido de grafeno de una sola capa de alta calidad y bajo costo, fibra compuesta de grafeno multifuncional y electricidad eficiente con grafeno. tela calefactora, grafeno super Seis tecnologías centrales que incluyen condensadores, baterías de iones de aluminio de grafeno y membranas de nanofiltración de grafeno. Algunos de estos resultados tienen amplias perspectivas de industrialización.
Gao Chao, nacido en junio de 1973, es de nacionalidad tujia. Es profesor distinguido Qiushi de la Universidad de Zhejiang, supervisor doctoral y director del Instituto de Ciencia de Polímeros.
Obtuvo una licenciatura de la Universidad de Hunan en 1995, una maestría en 1998 y un doctorado de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en 2001. Después de graduarse con un doctorado, permaneció en la Universidad Jiao Tong de Shanghai para enseñar. De 2003 a 2006, trabajó como académico visitante e investigador postdoctoral en la Universidad de Sussex en el Reino Unido y en la Universidad de Bayreuth en Alemania. En 2008, conoció la Universidad de Zhejiang y obtuvo el título de profesor y supervisor de doctorado.
* * * 1 Editor jefe de la monografía en inglés "Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, Applications" publicada por Wiley. Escribió 6 capítulos para la monografía en inglés y obtuvo 23 patentes de invención chinas.
Se desempeñó como editor en jefe regional de la revista internacional "Colloid and Polymer Science".
Haber sido seleccionado o ganado el Programa de Talentos Líderes en Innovación Científica y Tecnológica para Jóvenes y de Mediana Edad del Ministerio de Ciencia y Tecnología (2014), Fondo Nacional para Jóvenes Destacados (2013), Programa de Talentos Qianjiang de Zhejiang (2010). ), Programa de Talentos Pujiang de Shanghai (2007), Programa de Talentos Destacados del Ministerio de Educación (2007) y otros programas de talentos. La "Estrella de Ciencia y Tecnología Juvenil" de Shanghai (2003) ganó el Premio Provincial de Ciencia Juvenil de Zhejiang
Principal Logros: (1) Descubrimiento de cristales líquidos de óxido de grafeno y fase de cristal líquido quiral de partículas coloidales bidimensionales, y fibras continuas de grafeno propuestas y realizadas;
(2) Realización de supercondensadores de fibra de grafeno de alto rendimiento y grafeno membranas de nanofiltración basadas en;
(3) Se prepararon aerogeles elásticos ultraligeros utilizando una estrategia de ensamblaje colaborativo sin plantilla.
(4) Inventó un método ecológico, ultrarrápido y seguro a base de hierro que puede preparar óxido de grafeno monocapa en grandes cantidades, rompiendo con el método de preparación tradicional que era altamente contaminante, explosivo y lleva mucho tiempo desde 1958. .
El método a base de hierro puede preparar grafeno monocapa en 1 hora. Se espera que logre una aplicación industrial a gran escala.
El conjunto de grafeno en forma de corazón ahora debería agregarse a los resultados. El resultado de esta investigación ha sido comentado por "Nature", "Natural News", "Scientific American" y otros medios destacados, diciendo que "logra un paso clave en la aplicación del grafeno en dispositivos reales" y "abre una nueva forma de preparar fibras de carbono." ” y fue seguido por múltiples grupos de investigación en los Estados Unidos, Francia, Australia y China.
En abril de 2017, el departamento editorial de "New Materials", la principal revista mundial de ciencia de materiales, invitó a varios grupos de investigación relacionados con materiales de alta tecnología de la Universidad de Zhejiang a escribir artículos para mostrar la investigación de la Universidad de Zhejiang en el campo de la química de materiales en forma de álbum de aniversario escolar. Los resultados se utilizan para presentar el 120 aniversario de la Universidad de Zhejiang.
El nudo de fibra de grafeno fue seleccionado como Imagen del Año 2011 por "Nature". Este es el único logro científico y tecnológico de China desde 2005. El aerogel ultraligero ha sido muy elogiado por la naturaleza en dos ocasiones.
Fue certificado como el material sólido más liviano por Guinness World Records, ganó el Premio a la Innovación "Golden Kangaroo" del Foro Mundial de Innovación y fue seleccionado por académicos de las dos academias como uno de los diez mejores científicos de China. y novedades sobre avances tecnológicos en 2013.
La grulla de papel plegable adopta la última película de grafeno ultraflexible y de alta conductividad térmica.
Li Peng, doctor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Polímeros, escribió su estudio científico. El artículo "Preparación rápida y ecológica de óxido de grafeno" ganó el premio "Copa Qizhen" por los diez nuevos logros académicos de los estudiantes de la Universidad de Zhejiang en 2016.
Recientemente, reporteros de la Oficina de Información de la Universidad de Zhejiang, Qianjiang Evening News y otros medios entrevistaron al equipo del profesor Gao Chao del Departamento de Polímeros de la Universidad de Zhejiang. Frente a los periodistas, el profesor Gao Chao explicó que los aparatos electrónicos generan calor cuando funcionan y requieren una gestión térmica eficiente para garantizar su funcionamiento normal. Las nuevas generaciones de dispositivos también requieren flexibilidad. Por tanto, es muy importante estudiar materiales de alta conductividad térmica y alta flexibilidad. Sin embargo, la alta conductividad térmica y la alta flexibilidad de los macromateriales existentes son una contradicción que es difícil que ambas tengan.
La aparición del grafeno proporciona una posibilidad teórica para resolver esta contradicción. Es una macromolécula bidimensional de una sola capa plana en forma de panal formada por hibridación sp2 de átomos de carbono.
La estructura de enlace ligera, simple y fuerte de los átomos le confiere una conductividad térmica ultraalta, al mismo tiempo, el grosor de la capa atómica única lo hace flexible; Desafortunadamente, las láminas de grafeno exfoliadas existentes son pequeñas y tienen muchos defectos. Los materiales macroscópicos ensamblados a partir de ellas tienen poca conductividad térmica y flexibilidad, y no son tan buenos como las películas comerciales de poliimida grafitizada (GPI). Por ejemplo, el radiador de nuestros teléfonos móviles está hecho de GPI.
Andre Geim, el premio Nobel que descubrió el grafeno, es profesor honorario de la Universidad de Zhejiang. El descubrimiento del grafeno merece un Premio Nobel. La nueva película de ensamblaje de grafeno se podrá utilizar en la industria aeroespacial y en teléfonos inteligentes en el futuro, y será de mayor valor.
En la oficina del profesor Gao Chao, el periodista vio una membrana de ensamblaje de grafeno de 20 centímetros de largo que parecía un gran trozo de alga instantánea. Según Gao Chao, esta "alga" de 10 micrones de espesor está compuesta por miles de capas de grafeno. Los resultados experimentales muestran que la película de grafeno puede soportar más de 654,38 millones de veces de flexión sin afectar su conductividad térmica y eléctrica, y aún no se rompe después de 6000 plegados repetidos. El GPI anterior de mejor rendimiento sólo podía duplicarse un máximo de tres veces. Al mismo tiempo, la conductividad térmica de esta película de grafeno es tan alta como 2053 W/mK (vatios/metro-grado), que es cerca del 40% de la conductividad térmica del grafeno de una sola capa ideal, estableciendo un nuevo récord para macroscópico. conductividad térmica de los materiales.
Figura 1. a) La parte posterior de un teléfono inteligente disponible comercialmente; b) El teléfono está en modo de espera c) Usar una película de poliimida grafitada (GPI) como película de disipación de calor para el teléfono; d) Usar una nueva película de grafeno como película de disipación de calor; el mismo teléfono; e, f) Comparación de las líneas de temperatura horizontal y vertical del teléfono móvil en los tres estados (b), (c) y (d). La película de grafeno tiene mejor disipación de calor y efecto de enfriamiento.
La conductividad térmica suave y alta nos brinda una imaginación ilimitada, como teléfonos móviles plegables, computadoras portátiles e incluso satélites y naves espaciales. El equipo de investigación utilizó esta película de grafeno para reemplazar la película GPI comercial y la aplicó a la película de disipación de calor de los teléfonos móviles. Se descubrió que la temperatura de la CPU del teléfono móvil se puede controlar por debajo de 33°C, que es 6°C más baja que la película GPI disponible comercialmente. Si esta película se aplica a satélites artificiales, puede resolver perfectamente el problema de las grandes diferencias de temperatura en la "luz de fondo" del satélite.
Li Peng dijo que la disipación de calor de los componentes electrónicos es una cuestión muy importante en el desarrollo de equipos. Tienen "miedo al calor" porque estos dispositivos eléctricos tienen un rango de temperatura de funcionamiento estable. A medida que aumenta la temperatura, la estabilidad del dispositivo disminuirá, el ruido aumentará y la vida útil disminuirá. En términos generales, cuando la temperatura aumenta entre 8 y 10 grados, la vida útil del dispositivo se reducirá a la mitad. Según las estadísticas, la temperatura representa más del 50% de las causas de fallos de los productos electrónicos.
¿Cómo lograron los científicos convertir las películas de grafeno de "quebradizas" a "blandas" con buena conductividad térmica? Gao Chao dijo que el equipo propuso la idea de diseño de "grandes micropliegues" e introdujo muchas arrugas pequeñas en el proceso de preparación de la película de grafeno, haciendo de la película de grafeno un material "flexible". Al igual que la falda plisada de una niña, la falda se puede ampliar mucho. ¿Cómo hacer arrugas tan pequeñas? Al equipo de Gao Chao se le ocurrió un método novedoso: calentar la película de grafeno a alta temperatura, descomponerla a alta temperatura para liberar los grupos funcionales que contienen oxígeno en la película, provocando que se formen microesferas dentro de la película de grafeno y luego enrollar mecánicamente la película; Se forma una película para descargar el gas en los microglobos. "Es así de simple", dijo Gao Chao.
Figura 2. El proceso de introducción de las microarrugas de grafeno: los microglobos se forman mediante reducción por calentamiento a alta temperatura y las microarrugas se forman mediante laminación mecánica.
Captura de pantalla del papel, el plegado mejora enormemente la capacidad de la película para resistir la flexión durante el proceso de plegado.
Advanced Science News comentó que este logro permite aplicar muchos materiales bidimensionales multifuncionales de gran superficie a dispositivos flexibles en el mundo real, desde el sector aeroespacial hasta los teléfonos inteligentes.
Advanced Science News cree que este concepto de diseño y estrategia experimental se pueden extender a otros nanomateriales bidimensionales.