10月29日，深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的張齊艷、黃雙武團(tuán)隊(duì)及其合作者在自然指數(shù)期刊Nature Communications發(fā)表了題為“Scalable all polymer dielectrics with self-assembled nanoscale multiboundary exhibiting superior high temperature capacitive performance”的學(xué)術(shù)論文。該論文介紹了一種全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料，該材料基于多尺度納米界面結(jié)構(gòu)有效抑制高溫下的漏電流，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高溫電容儲(chǔ)能性能。深圳大學(xué)為該研究的第一完成單位，論文的第一作者是電子與信息工程學(xué)院助理教授張齊艷，教授黃雙武為共同通訊作者。
薄膜電容器由夾在金屬電極之間的聚合物電介質(zhì)薄膜組成，具有功率密度高、充放電速度快、耐高電壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代電子設(shè)備和電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。然而，聚合物電介質(zhì)材料的工作溫度相對(duì)較低，這使得它們?cè)陔妱?dòng)汽車、航空航天電力電子以及地下油氣勘探等應(yīng)用中，無法滿足140 ℃以上的苛刻溫度條件下的穩(wěn)定運(yùn)行需求。例如，目前市場(chǎng)上最優(yōu)質(zhì)的電容器薄膜——雙向拉伸聚丙烯（BOPP），只能在105 ℃以下正常工作。當(dāng)溫度超過85 ℃時(shí)，BOPP薄膜電容的性能和使用壽命會(huì)急劇下降，因此需要承受30-50%的電壓降額。
圖1. 全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料的制備及微觀結(jié)構(gòu)表征。
本研究采用聚合誘導(dǎo)微相分離（PIMS）策略，成功制備了高溫全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料（PNDs），該材料具有良好的可擴(kuò)展性和低成本優(yōu)勢(shì)?；诟卟ＡЩD(zhuǎn)變溫度（Tg）的工程聚合物與熱固性樹脂單體在聚合交聯(lián)過程中自組裝形成的納米結(jié)構(gòu)多尺度界面，有效抑制了高溫下電流的產(chǎn)生和輸運(yùn)，進(jìn)而使得制備的PNDs展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫電容性能。具體而言，聚醚酰亞胺（PEI）被選為高Tg工程聚合物，其高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg ≈ 217 ℃）及良好的加工性為其在高溫薄膜電容器中的商業(yè)應(yīng)用提供了良好前景。選用的商用雙馬來酰亞胺（BMI）單體（2,2-bis-4-(4-馬來酰亞胺-苯氧基)苯基丙烷）具有較大的帶隙（Eg ≈ 5.74 eV）和低的電子親和能（χ = 0.60 eV），因此能在與PEI接觸時(shí)形成較高的電子注入屏障。此外，由于BMI和PEI分子結(jié)構(gòu)中均含有雙酚A和酰亞胺基團(tuán)，使得二者具備良好的相容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自組裝的納米尺度多界面結(jié)構(gòu)有效抑制了電荷的注入與激發(fā)。在高溫和強(qiáng)電場(chǎng)條件下，漏電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，而在150 ℃的高溫下，擊穿場(chǎng)強(qiáng)提升了30%，顯著優(yōu)于純PEI。該全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料在150 ℃下實(shí)現(xiàn)了7.1 J/cm3的放電能量密度和90%的充放電效率，超越了現(xiàn)有的聚合物電介質(zhì)，并且其放電能量密度相比純PEI提高了超過兩倍。此外，與文獻(xiàn)中報(bào)道的方法相比，本研究的薄膜加工過程更為簡(jiǎn)單、直接且成本低廉，為高性能、高質(zhì)量電容薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
圖2. 全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的高溫電容儲(chǔ)能性能。
項(xiàng)目支持：該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53674-8
