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  聚合物電介質(zhì)電容器由于其成本低、柔韌好、安全性高以及超高的功率密度等優(yōu)點(diǎn)，從而在無(wú)源電容元件，逆電器，脈沖功率電源技術(shù)等領(lǐng)域存在廣泛的應(yīng)用。但聚合物電介質(zhì)電容器具有低儲(chǔ)能密度和低工作溫度的缺點(diǎn)，限制了電子元件的小型化和集成化。目前，大多數(shù)解決的方法是制備聚合物基無(wú)機(jī)納米復(fù)合介電材料。然而，高含量的填料在聚合物基體中容易聚集，導(dǎo)致復(fù)合材料會(huì)以犧牲聚合物的擊穿強(qiáng)度和柔性為代價(jià)來(lái)獲取高介電常數(shù)。此外，大部分電介質(zhì)材料的能量密度及效率在高溫下將急劇下降。因此，現(xiàn)階段對(duì)于如何同時(shí)獲得具有高介電常數(shù)、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高效率和耐高溫的介電材料是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

  近年來(lái)，三明治結(jié)構(gòu)薄膜在提高介電聚合物的儲(chǔ)能性能上提供了一條極具潛力的途徑。湘潭大學(xué)陳盛課題組采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的溶液澆鑄法成功地制備了一種由耐高溫的線性電介質(zhì)和鐵電聚合物組成的全有機(jī)三明治結(jié)構(gòu)介電聚合物薄膜，以“Enhanced performance of all-organic sandwich structured dielectrics with linear dielectric and ferroelectric polymer”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

圖1.正向三層結(jié)構(gòu)、反向三層結(jié)構(gòu)及共混薄膜的制備

  該團(tuán)隊(duì)通過使用高介電常數(shù)的鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CTFE)和高擊穿強(qiáng)度和高效率的耐高溫的線性電介質(zhì)PEI，制備了一系列正向三明治結(jié)構(gòu)薄膜、反向三明治結(jié)構(gòu)薄膜和單層共混薄膜（圖1），深入研究了線性/鐵電聚合物體積比和聚合物薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)能性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化線性/鐵電聚合物體積比后的全有機(jī)正向三明治結(jié)構(gòu)薄膜能承受最高擊穿場(chǎng)強(qiáng)為530 kV/mm，最大放電能量密度為8.0 J/cm³，是純PEI膜的兩倍以上，且效率可達(dá)81%（圖2）。

圖2.(a)所有正向三明治結(jié)構(gòu)的薄膜,(b)所有反向三明治結(jié)構(gòu)的薄膜在不同電場(chǎng)下以及(c)所有三明治結(jié)構(gòu)的薄膜在最高電場(chǎng)下的放電能量密度和效率

  文中還從結(jié)晶度、晶型、電導(dǎo)率、漏電流、介電常數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值、電場(chǎng)分布理論計(jì)算值與有限元模擬等多方面來(lái)解釋和論證三明治結(jié)構(gòu)薄膜的擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度及效率的變化規(guī)律。同時(shí)，高溫測(cè)試結(jié)果表明正向三明治結(jié)構(gòu)薄膜在25℃到100℃之間具有優(yōu)異的介電及儲(chǔ)能溫度穩(wěn)定性（圖3）。該研究為制備具有高儲(chǔ)能和耐高溫的全有機(jī)三明治結(jié)構(gòu)薄膜提供了理論分析和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，促進(jìn)了柔性聚合物高溫介質(zhì)電容器的發(fā)展和應(yīng)用。

圖3.(a)正向三明治結(jié)構(gòu)薄膜P-15-P，反向三明治結(jié)構(gòu)薄膜7.5-P-7.5和3 vol％ PVTC/PEI共混薄膜在不同頻率下的介電常數(shù)的溫度依賴性；(b)在最高電場(chǎng)下P-15-P和7.5-P-7.5的放電能量密度和效率與溫度的關(guān)系

  論文的第一作者為湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究生王超。通訊作者為陳盛副教授，共同通訊作者為中南大學(xué)羅行副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA00974E