高温电容器介质薄膜:聚合物电介质表面纳米绝缘层的连续、快速沉积

薄膜电容器是重要的功率型储能器件,在电力电子、新能源汽车、航空航天、电磁武器等领域发挥着关键作用。薄膜电容器在高温、高电场共同作用下会出现能量损耗过大和热失控问题,因此无法直接在高温环境下使用。其根本原因在于电容器介质薄膜在高温、高电场条件下,金属电极向介质材料内部注入电荷,从而引起大量泄漏电流。泄漏电流转化为焦耳热使得电容器温度不断升高,最终导致器件过热而损坏。长期以来,国内外学者主要通过纳米掺杂来抑制高温下泄漏电流,但目前该方法无法实现规模化生产及应用。

为了解决该问题,清华大学李琦副教授、何金良教授等与宾夕法尼亚州立大学王庆教授合作提出了一种新的策略,利用等离子体增强化学气相沉积技术在介质薄膜表面快速构筑对温度稳定的宽禁带绝缘层(厚度仅为180纳米),抑制介质薄膜表面在高温、高电场下的电荷注入,从而得到在高温下性能稳定的电容器介质薄膜。通过对沉积技术的优化,使得该工艺可在室温、常压条件下实现,直接适用于任意电介质薄膜;通过引入动态沉积机制和“卷对卷”处理单元,实现了连续制备:论文中演示了90米长薄膜的连续快速制备,展现了该工艺的规模化前景。此外,该方法不引入、不排放任何有害物质,所使用的原料价格低廉,是一项可产业化的技术。

相关论文发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201805672)。论文第一作者为清华大学电机系博士生周垚,通讯作者为电机系李琦副教授、何金良教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授,合作者还包括清华大学电机系曾嵘教授、胡军副教授及中科院电工研究所邵涛教授。