【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】聚合物電介質(zhì)因其高耐壓、低介電損耗和優(yōu)異的運行穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于靜電電容器。隨著工業(yè)生產(chǎn)和日常應(yīng)用需求的不斷提升，人們對聚合物薄膜電容器在高溫、高電壓等嚴(yán)苛條件下的可靠運行提出了更高要求。然而，與介電陶瓷相比，大多數(shù)商用聚合物只能在相對較低的溫度(≤105 ℃)下保持有效工作。當(dāng)溫度升高時，其絕緣性能和儲能性能顯著退化。具體而言，在高溫環(huán)境下，聚合物內(nèi)部的電荷注入、激發(fā)及傳輸過程會導(dǎo)致漏電流呈指數(shù)增長，進而引起能量密度下降和充放電效率降低。這些缺陷嚴(yán)重限制了聚合物電介質(zhì)在高溫高功率電氣應(yīng)用中的進一步發(fā)展。
 

　　在高溫和高電場下，聚合物電介質(zhì)的傳導(dǎo)損耗通常由電極限制和體相限制的傳導(dǎo)過程決定，分別表現(xiàn)為肖特基發(fā)射和跳躍傳導(dǎo)機制。肖特基發(fā)射發(fā)生在金屬電極與電介質(zhì)表面之間的界面處，來自電極的電荷通過“熱激發(fā)”獲得足夠的能量，克服界面勢壘注入到聚合物電介質(zhì)中。跳躍傳導(dǎo)通常發(fā)生在聚合物電介質(zhì)的體相內(nèi)，隨著溫度和電場的增加，電荷載流子可以獲得更多的能量來跳過聚合物中長程無序結(jié)構(gòu)在短程有序域之間建立的勢壘，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)電流急劇增加。
 

圖1 提升電極/電介質(zhì)界面肖特基勢壘以實現(xiàn)優(yōu)異儲能性能
 

　　針對電極限制傳導(dǎo)，周迪教授團隊提出一種簡便的自組裝無機納米層涂覆方法，在商用PET薄膜表面沉積含SiO2薄層，并利用P(VDF-HFP)作為分散介質(zhì)和粘結(jié)層以增強界面結(jié)合。實驗結(jié)果表明，涂層的引入有效提高了聚合物表面肖特基勢壘，抑制載流子注入，從而顯著提升介電聚合物在高溫下的儲能性能。
 

圖2 “電子-空穴對”策略提升聚合物電介質(zhì)儲能性能
 

　　針對體相限制傳導(dǎo)，周迪教授團隊創(chuàng)新性地將P型半導(dǎo)體分子并五苯(PT)引入到聚醚酰亞胺(PEI)基體中。PT的引入能夠在PT與PEI分子鏈的異質(zhì)結(jié)界面形成“電子–空穴對”，從而有效抑制聚合物基體中的載流子遷移。由此，復(fù)合薄膜在高溫150°C下，擊穿強度由純PEI的472.8 MV·m-1提升至683.6 MV·m-1，同時放電能量密度達到7.35 J·cm-3，充放電效率保持在90 %以上。該測試結(jié)果充分驗證了“電子-空穴對”策略在提高聚合物電介質(zhì)高溫儲能方面的顯著效果。與此同時，團隊基于跨尺度協(xié)同調(diào)控策略，將介觀尺度的自由體積與分子尺度的電荷陷阱相結(jié)合，通過將聚酰亞胺與聚醚酰亞胺共混，并引入n型有機半導(dǎo)體——1,4,5,8-萘四甲酸二酐，有效解決了熱-電耦合應(yīng)力下自由體積塌陷和空間電荷積累的問題。
 

圖3：基于跨尺度協(xié)同調(diào)控策略提升聚合物電介質(zhì)儲能性能。
 

　　此外，周迪教授團隊在有機-無機復(fù)合介質(zhì)方面也進行了深入探索。利用本課題組前期開發(fā)的新型弛豫鐵電材料Bi?Ti?WO??(Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2210709；Nature Communications, 2024, 15, 3754)，通過化學(xué)沉淀法制備核-殼結(jié)構(gòu)Bi?Ti?WO??@MgO(BTWO@MO)納米填料并引入PEI基體，顯著提升了高溫聚合物電介質(zhì)的絕緣強度與儲能性能。BTWO“核”提供高極化能力，MgO“殼”抑制界面電荷積累，使復(fù)合材料在150 °C下實現(xiàn)6.24 J·cm-3的放電能量密度(比純PEI提升197 %)，在400 MV·m-1下仍保持4.80 J·cm-3和87.51 %的效率，并展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究提出了一種基于核-殼結(jié)構(gòu)填料的有效策略，為極端環(huán)境下高性能電介質(zhì)的應(yīng)用提供了新思路。
 

圖4 通過“核-殼”結(jié)構(gòu)納米填料增強的 PEI 基復(fù)合材料高溫儲能性能
 

　　上述研究成果分別以《一種簡單的表面工程方法用于提升聚合物介電材料的肖特基勢壘以實現(xiàn)優(yōu)異儲能性能》(A simple surface engineering approach to enhance the Schottky barrier of polymer dielectrics for superior energy storage performance)《通過在聚合物基體中摻雜 P 型分子半導(dǎo)體形成電子-空穴對以增強儲能性能》(Enhanced Energy Storage Performance Through Electron-Hole Pair Formation in Polymer Matrices Doped with P-Type Molecular Semiconductor)《協(xié)同調(diào)控自由體積與電荷分布提升全有機復(fù)合介電材料的高溫儲能性能》(Superior High-Temperature Energy Storage Performance in All-Organic Composite Dielectrics Achieved by Synergistic Regulation of Free Volume and Charge Distribution)《核殼結(jié)構(gòu)納米填料提升聚醚酰亞胺基復(fù)合材料的高溫儲能性能》(High-Temperature Energy Storage Performance of Polyetherimide-based Composites Enhanced by Core-Shell Structured Nanofillers)為題發(fā)表在國際期刊《材料化學(xué)學(xué)報A》(Journal of Materials Chemistry A)《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)《微尺度》(Small)以及《微尺度：結(jié)構(gòu)》(Small Structures)上，論文第一作者為西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生劉濤、劉建君及畢業(yè)生郭艷博士(目前就職于河南理工大學(xué))，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授、電氣工程學(xué)院劉文鳳教授、材料學(xué)院王軼飛特聘研究員及同濟大學(xué)翟繼衛(wèi)教授為共同通訊作者，西安交通大學(xué)為第一完成單位。