近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系汪宏講席教授團(tuán)隊(duì)在儲(chǔ)能電介質(zhì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Superior Capacitive Energy Storage Enabled by Molecularly Interpenetrating Interfaces in Layered Polymers”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域國際期刊?Advanced?Materials?上。
介電電容器是電子設(shè)備中使用量最大的電子元器件之一。在眾多類型的電容器元件中，聚合物薄膜電容器具有輸出電壓高、頻率范圍廣、機(jī)械靈活性高、充放電循環(huán)能力強(qiáng)以及自愈性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著電磁脈沖武器裝備、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸系統(tǒng)往集成化以及小型化的發(fā)展，迫切需要開發(fā)高儲(chǔ)能性能的聚合物基電介質(zhì)材料。
電介質(zhì)材料的介電常數(shù)與擊穿強(qiáng)度之間的內(nèi)稟倒置關(guān)系限制了儲(chǔ)能密度的提高。通過填充高k無機(jī)陶瓷來增強(qiáng)極化的聚合物基納米復(fù)合材料往往以犧牲擊穿強(qiáng)度為代價(jià)，并且難以工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。線性全有機(jī)聚合物具有低損耗和高充放電效率的特點(diǎn)，并且具備大規(guī)模制造的前景，但其儲(chǔ)能密度的提升依舊受到低極化和低擊穿強(qiáng)度的限制。針對(duì)此問題，不同于以往的疊層聚合物結(jié)構(gòu)，汪宏團(tuán)隊(duì)基于鐵電聚合物和線性電介質(zhì)聚合物設(shè)計(jì)了一類具有異質(zhì)分子互穿界面的新型雙層聚合物介質(zhì)薄膜，解耦了介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度間的制約關(guān)系，并獲得了超高的能量密度和效率，如圖1所示。
圖1 全有機(jī)雙層異質(zhì)聚合物的分子互穿界面的理論模擬、表征與性能
通過調(diào)控?PVDF?基共混鐵電聚合物和線性電介質(zhì)?PEI?層間的異質(zhì)分子互穿界面，可以實(shí)現(xiàn)極性相轉(zhuǎn)變，提高極性相β、γ相的含量，這可以有效增強(qiáng)聚合物的極化，如圖2所示。此外，分子互穿界面處的異質(zhì)分子間存在強(qiáng)的相互作用力，使得分子鏈間距降低，晶粒尺寸減小，這使得界面處的楊氏模量提高，有效緩解局部應(yīng)力畸變，如圖3所示。熱刺激去極化電流測(cè)試（TSDC）、脈沖電聲測(cè)試（PEA）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測(cè)試結(jié)果表明，該分子界面設(shè)計(jì)還增強(qiáng)了聚合物薄膜對(duì)自由電荷的捕獲能力，這使得漏電流密度顯著降低，擊穿強(qiáng)度顯著提升，如圖3所示。
圖2 分子互穿界面引起的極性相轉(zhuǎn)變與分子間相互作用 
圖3 分子互穿界面的電荷捕獲、機(jī)械性能與聚合物的擊穿強(qiáng)度
鑒于介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度的協(xié)同提升，聚合物薄膜在940 MV m-1的超高電場(chǎng)下，同時(shí)獲得29.89 J cm-3的高儲(chǔ)能密度和81.1%的高效率。并且在充放電效率≥90%時(shí)的儲(chǔ)能密度為22.89 J cm-3，這優(yōu)于目前報(bào)道的聚合物基薄膜電介質(zhì)材料，如圖4所示。此外，該聚合物薄膜還具備優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和大規(guī)模生產(chǎn)能力。
圖4 聚合物薄膜的儲(chǔ)能性能、P-E疲勞和穩(wěn)定性
南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士研究生孫良為論文第一作者，研究助理教授張鳳元和博士后李立為論文共同第一作者，汪宏為論文責(zé)任通訊作者，美國賓州州立大學(xué)教授王慶和李立為論文共同通訊作者，南科大為論文第一單位。南科大材料系教授李江宇、清華大學(xué)電機(jī)系副教授李琦、西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授吳鍇等人參與了本工作。此研究得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412561
來源：南方科技大學(xué)
原文鏈接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202412/45988.html