《Science》子刊：宽温度范围下具有优异电容性能的介电超材料学术资讯

来源：高分子科学前沿

原标题：美国宾夕法尼亚州立大学章启明团队《Science》子刊：宽温度范围下具有优异电容性能的介电超材料

介电材料在用于控制和存储电荷和电能的电子电气设备和系统中发挥着重要作用，广泛的用于混合动力汽车、电力网络以及脉冲功率系统等，以提高它们的功率因子。相比如无机电介质，聚合物电介质具有低的介电损耗、低成本的卷对卷制造工艺、高的击穿场强和稳定的失效模式，从而确保了在高电场下工作时具有高的可靠性。然而聚合物电介质热稳定性差，无法在高温环境下稳定工作。尤其在高电场作用下，温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。更严重的是，泄漏电流转变成焦耳热，使电容器温度持续上升，最终损坏。

尽管双向拉伸聚丙烯BOPP的介电常数低(K=2.2)，但高的击穿场强（~700MV/m）和低的损耗使其成为应用最为广泛的商用聚合物薄膜电介质。然而，BOPP低的操作温度（<80 ℃）使其在高温环境中使用时需要装配额外的冷却系统以降低环境温度至其安全工作温度。冷却系统的存在增加了动力系统的质量和体积，降低了能量使用效率，增加了成本。

为了满足现在现代电子电力设备和系统日益增长的集成化、小型化的需求，一方面亟需提高聚合物电介质的能量密度，同时保持低的损耗，以保证不需增加设备体积的情况下实现高密度能量的存取和传递。另一方面需要提高聚合物电容器的操作温度以去除外部冷却系统的使用。长期以来，国内外学者主要通过纳米掺杂来提升聚合物电介质的能量密度和高温介电储能性能，但目前无法实现规模化制备及应用。

近期，美国宾夕法尼亚州立大学章启明教授实验室在国际顶级期刊《Science Advances》报道了一种可以低成本批量制备具有耐高温、优异电容性能的介电超材料的新型纳米复合方法。不同于需要添加15%体积分数以上高介电填料（K>1000）的传统纳米复合策略，该新型纳米复合策略仅需在高玻璃化转变温度（Tg>250 ℃）半晶型聚合物PEEU中复合极低添加量20 nm 氧化铝颗粒，便实现了PEEU能量密度、充放电效率、击穿场强的大幅度提升。

充放电效率和能量密度

0.2% 体积分数的氧化铝纳米颗粒使PEEU在很宽温度范围内（>150 ℃）的介电常数和击穿场强均得到了提升。介电常数从4.7提高到了7.4，150℃下的击穿场强从400 MV/m 提高到了600 MV/m，而且极低添加量纳米氧化铝颗粒的存在降低了高场下的导电损耗。因此， PEEU薄膜在150 ℃高温下展现出了高达5 J/cm3的放电能量密度，并保持了高于90%的充放电效率。

局部结构改变

实验结果表明，介电性能的提升来源于低添加量的纳米氧化铝颗粒诱导了PEEU局部结构的改变，降低了玻璃态下偶极子运动能力的限制，降低了移动电荷的平均自由程，提高了深陷阱能级。

储能密度对比

Tian Zhang和Xin Chen是该论文的共同第一作者，Q. M. Zhang是通讯作者，其他共同作者有：Yash Thakur, Biao Lu, Qiyan Zhang和J. Runt.

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/4/eaax6622

来源：Polymer-science 高分子科学前沿

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjM5NzA5OA==&mid=2651726046&idx=4&sn=2b508834eb97b61a6fe9bfe5ab877f66&chksm=8b4a329bbc3dbb8d2ce78357198f838aceb307f9012fa4e8348ad00c94bc7af6aba7ad275210#rd

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