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上海交大黃興溢教授團(tuán)隊(duì)連發(fā) Adv. Mater./AFM: 在聚合物電工絕緣材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展

2023-10-08 來(lái)源：高分子科技

聚合物因其具有成本低、易加工、重量輕以及高擊穿強(qiáng)度等固有優(yōu)勢(shì)，是高能量密度電容器的首選電介質(zhì)。其中，雙軸取向聚丙烯（BOPP）是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的聚合物電介質(zhì)。然而，當(dāng)溫度高于85 ℃時(shí)，傳導(dǎo)電流的增加導(dǎo)致耐電強(qiáng)度急劇下降，BOPP的儲(chǔ)能密度和使用壽命都會(huì)迅速下降。傳統(tǒng)的耐高溫聚合物含有較多的苯環(huán)共軛結(jié)構(gòu)，帶隙的降低也會(huì)使得其高溫傳導(dǎo)電流顯著增加。同時(shí)，含苯環(huán)聚合物的具有較高的C/H比，電介質(zhì)薄膜在擊穿時(shí)產(chǎn)生的沉積碳容易使上下金屬電極聯(lián)通，失去自愈性。

近日，上海交通大學(xué)黃興溢團(tuán)隊(duì)從分子設(shè)計(jì)角度入手，設(shè)計(jì)了一種非芳香聚降冰片烯共聚物。這類聚合物具有帶隙寬（～ 4.64 eV）和電荷跳躍距離短（～ 0.63 nm）的特點(diǎn)，在高溫和高電場(chǎng)下表現(xiàn)出優(yōu)異的電絕緣性，電導(dǎo)率比聚醚酰亞胺（PEI）低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，引入微量半導(dǎo)電分子可賦予該聚合物更高的放電能量密度和充放電效率（95%效率下放電能密度3.73 J cm^?³，150 °C），優(yōu)于現(xiàn)有的高溫介電聚合物。并且，由于非芳香結(jié)構(gòu)帶來(lái)的低C/H比，該聚合物顯示出優(yōu)異的自愈能力。

圖1 化學(xué)結(jié)構(gòu)、電性能以及電擊穿強(qiáng)度

圖2 帶隙以及儲(chǔ)能性能

相關(guān)工作以“Aromatic-Free Polymers Based All-Organic Dielectrics with Breakdown Self-Healing for High-Temperature Capacitive Energy Storage”為題發(fā)表于Advanced Materials上。文章第一作者為上海交通大學(xué)陳杰助理研究員，通訊作者為黃興溢教授。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202306562

交聯(lián)是提高聚合物材料使用溫度的重要手段。針對(duì)傳統(tǒng)熱交聯(lián)方式帶來(lái)的雜質(zhì)難脫除、加工方式復(fù)雜繁瑣等問(wèn)題，黃興溢團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種利用肉桂酸基團(tuán)進(jìn)行紫外交聯(lián)的方法。該方法同時(shí)具有簡(jiǎn)便易行、無(wú)雜質(zhì)、省時(shí)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，并且可以在介電聚合物基質(zhì)內(nèi)構(gòu)建寬帶隙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方法，成功實(shí)現(xiàn)了聚合物耐熱性和電絕緣性的協(xié)同增強(qiáng)，交聯(lián)后聚合物的Weibull特征擊穿強(qiáng)度在室溫和150 ℃下分別達(dá)到了1057和810 MV m^?¹，同時(shí)在保持效率＞90%的前提下分別顯示出14.28 J cm^-3和5.55 J cm^-3的放電能量密度。此外，該聚合物還表現(xiàn)出了出色的電擊穿自愈特性。

圖3 紫外光交聯(lián)以及交聯(lián)后結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 介電性能、電擊穿強(qiáng)度及儲(chǔ)能性能

相關(guān)工作以“Wide Bandgap Heterostructured Dielectric Polymers by Rapid Photo-Crosslinking for High-Temperature Capacitive Energy Storage”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者為上海交通大學(xué)研究生裴展?jié)?/span>，通訊作者為陳杰助理研究員和黃興溢教授。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307639

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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（責(zé)任編輯：xu）

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