调控无机纳米填料的形貌获得高储能密度的耐高温聚合物基复合薄膜

聚合物薄膜电容器因其具有功率密度高、充放电效率高、循环稳定性好及柔韧性良好等优点,广泛应用于先进电力电子、脉冲功率系统等领域。然而,以聚合物材料为主体的薄膜电容器的热稳定性较陶瓷电容器差,在强场作用下,温度升高会导致聚合物内部泄漏电流增大,造成充放电效率及储能密度下降。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。工业界的解决方法是引入冷却系统将工作环境温度降至电介质材料最高使用温度以下。例如,丰田普锐斯混合动力汽车使用冷却系统将环境温度从120~140 oC降至商用双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜能承受的70~80 oC。然而,冷却系统的存在增加了动力系统的质量和体积,不仅不利于储能装置的小型化与集成化,还降低了燃料使用效率。现有的研究证实,向聚合物基体中掺杂氮化硼纳米片(BNNS)等二维无机填料有助于提升电容薄膜的高温介电储能特性,但BNNS的成本较高,剥离工艺较复杂,较难以实现规模生产。

近日,美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系Qing Wang教授课题组报道了一种基于低成本的形貌可控的无机Al2O3纳米填料(纳米颗粒、纳米线、纳米片)的耐高温聚合物基纳米复合薄膜材料。通过对高温、强场下聚合物基纳米复合材料的介电性能的系统化研究,揭示了复合材料中高温击穿、强场电导等行为与无机填料形貌之间的高度相关性;构建静电击穿模型模拟了高温条件下添加不同形貌纳米填料的复合材料中击穿路径的演化过程,与试验结果较好地吻合,解释了复合材料的微观结构与宏观击穿特性之间的关联;从电导机制入手,系统地分析了高温、强场下复合电介质材料中介电损耗的来源与抑制方法,并提出了材料储能密度与充放电效率的增强手段。

总的来说,这项工作利用宽禁带(~9 eV)二维片状Al2O3作为增强型绝缘填料,实现了复合材料中介电常数与击穿强度这两个倒置耦合电学参数的协同提升。在150 oC高温,450 MV/m的高电场下,获得高储能密度的同时,充放电效率依然保持在90%以上。通过这种简便的方法即对无机纳米填料的形貌调控,提出了一种新型聚合物基纳米复合电介质的设计范例,展现了柔性聚合物基复合材料在高温、高电场等极端环境下应用于高能量密度储能装置的巨大潜力。

相关论文发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201900875)。论文第一作者为博士生He Li,通讯作者为美国宾夕法尼亚州立大学Qing Wang教授,合作者还有美国宾夕法尼亚州立大学Long-Qing Chen教授。

Speak Your Mind

*