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浙工大徐立新/葉會見團隊 AFM 封面:基于自由基捕獲策略制備超高儲能性能聚合物電介質(zhì)薄膜
2025-02-07  來源:高分子科技

  在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與電子設(shè)備革新背景下,儲能技術(shù)作為現(xiàn)代能源體系的核心支撐,正面臨更高的性能要求。聚合物薄膜電容器憑借高功率密度與快速充放電特性,雖已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備及電源系統(tǒng),但其較低的能量密度顯著制約了在脈沖功率設(shè)備、電動汽車等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。當(dāng)前亟需在提升薄膜儲能密度的同時,確保薄膜電容器在高溫、高電場強度等極端工況下的穩(wěn)定運行,以實現(xiàn)電容器體積優(yōu)化與可靠性提升的雙重突破。


  針對電介質(zhì)材料中普遍存在的電樹枝擊穿失效難題,浙江工業(yè)大學(xué)徐立新/葉會見團隊基于自由基捕獲機制,成功開發(fā)出具有超高儲能特性的聚醚酰亞胺(PEI)復(fù)合電介質(zhì)材料。研究團隊首先合成了含共軛雙鍵的超支化聚乙烯共聚物(HBPE@HEPD),并利用其通過液相剝離,制得由其非共價修飾的氮化硼納米片(HEPD-BNNSs),進一步成功獲得HEPD-BNNSs/ PEI納米復(fù)合材料(圖1、圖2。在該復(fù)合體系中,利用HBPE@HEPD結(jié)構(gòu)中的共軛雙鍵通過與自由基發(fā)生加成反應(yīng),有效延緩了擊穿初期電樹枝的形成。通過“自由基捕獲”策略,所制備的HEPD-BNNSs/PEI薄膜展現(xiàn)出卓越的儲能性能,該材料在高溫下仍保持超90%的儲能效率,能量密度較商用薄膜提高4倍以上。


1. HBPE@HEPD超支化共聚物的合成和結(jié)構(gòu)表征:(a)捕獲自由基的共軛結(jié)構(gòu)示意圖,(b)共聚物的合成過程,(c)1H NMR譜圖,(d)GPC曲線,(e)FTIR譜圖。


2. 利用HBPE@HEPD所得功能化BNNS的結(jié)構(gòu)表征


  如圖3所示,HEPD-BNNSs/PEI薄膜展現(xiàn)出卓越的儲能性能:當(dāng)填料含量為0.5 wt.%時,在室溫500 MV m?1場強下具有12.9 J cm?3的放電能量密度和>90%的效率;在100℃350 MV m?1場強下仍保持5.8 J cm?3的放電能量密度和90.2%的效率。HBPE@HEPD上的雙鍵通過與自由反應(yīng),起到深俘獲位點的作用,抑制了電樹枝的生長,顯著提高了復(fù)合材料的介電可靠性。


3. 功能化BNNSs/PEI納米復(fù)合材料的介電性能和儲能性能:(a)介電常數(shù),(b)介電損耗,(c10 kHz時介電性能的比較,(dWeibull擊穿分布,(e450 MV m-1下的P-E回線,(f450 MV m-1下的電位移,(gh25°C100°C下的能量密度和效率。


  如圖4所示,根據(jù)跳躍傳導(dǎo)模型,HEPD-BNNSs/PEI的跳躍長度1.09 nm。考慮到短跳躍距離意味著捕獲位點深和高密度,可以推斷自由基的抑制HEPD-BNNSs/PEI薄膜中有效完成。圖3f中,0.5 wt.% HEPD-BNNSs/PEI薄膜200 MV m?1場強下實現(xiàn)100000次的充放電循環(huán),展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。


4. 功能化BNNSs/PEI納米復(fù)合材料的電性能和循環(huán)穩(wěn)定性(a)傳導(dǎo)損耗,(b)鐵電損耗,(c)電導(dǎo)率的Arrhenius函數(shù),(d)電流密度(e)紫外-可見吸收光譜,(f)0.5 wt.% HEPD-BNNSs/PEI薄膜的循環(huán)穩(wěn)定性


  本研利用納米片的深陷阱效應(yīng)和寬帶隙特性的協(xié)同作用,為提升聚合物在高溫下的擊穿強度和放電能量密度提供了一種創(chuàng)新策略,同時也為理解靜電儲能應(yīng)用中聚合物電介質(zhì)擊穿初期的電樹枝抑制機制提供新視角。


  該研究結(jié)果最近以Ultrahigh Energy Storage Capability in Polyetherimide-Based Polymer Dielectrics Through Trapping Free Radicals Strategy為題發(fā)表于Advanced Functional Materials雜志,浙江工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生蔣慧蕾鄭丁瑀為論文共同第一作者徐立新教授和葉會見副教授為論文共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金(5170717521474091)、浙江省重點研發(fā)計劃項目(2021C01089)、浙江省自然科學(xué)基金(LTZ20E070001)以及浙江工業(yè)大學(xué)平湖新材料研究院等平臺條件支持


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202418466


附:課題組簡介


  課題組目前包括教授1名、副教授1名、海外高層次人才1名(入職浙工大平湖新材料研究院)、在讀博士生、碩士生20余名。依托浙江省塑料改性與加工技術(shù)研究重點實驗室、中國輕工業(yè)聯(lián)合會綠色塑料助劑重點實驗室和浙江工業(yè)大學(xué)平湖新材料研究院等平臺,團隊長期從事功能性超支化聚合物設(shè)計、合成及相關(guān)應(yīng)用研究,通過自主設(shè)計合成各類功能性超支化聚合物,發(fā)揮其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢,以促進其在聚合物基電子封裝材料、聚合物基儲能材料、通用塑料高性能化、功能化改性及可循環(huán)利用等領(lǐng)域應(yīng)用為目標(biāo)。近年來課題組在相關(guān)領(lǐng)域先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、浙江省重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金重點項目及產(chǎn)學(xué)研合作項目等28項;在Adv Funct MaterMacromoleculesCarbonJ. Mater. Chem. CCompos. Sci. Technol.Polymer、高分子學(xué)報等期刊發(fā)表研究論文55篇;獲授權(quán)發(fā)明專利18件(其中日本專利1件),參加國內(nèi)外各類學(xué)術(shù)會議60余人次;課題組先后與多家行業(yè)龍頭企業(yè)建立穩(wěn)定的產(chǎn)學(xué)研合作聯(lián)系。此外,課題組承擔(dān)了省級研究生優(yōu)秀課程、省級研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地等多項教學(xué)改革及人才培養(yǎng)項目。

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