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西安交大張志成教授團(tuán)隊 AFM:借助極性缺電子填料調(diào)控BOPP薄膜介電常數(shù)和結(jié)晶行為助力超高介電儲能性能
2025-02-19  來源:高分子科技

  金屬化薄膜電容器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電氣和電子設(shè)備的能量存儲。雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜因其卓越的擊穿強(qiáng)度(~700 MV/m)、超低介電損耗(10??10?3)、優(yōu)異的加工性、自愈能力以及低成本,而被商業(yè)電容器廣泛應(yīng)用。然而,隨著電動汽車和電磁能設(shè)備等領(lǐng)域的集成化和微型化迅速發(fā)展,儲能電介質(zhì)材料不僅需具備更高的儲能密度,還必須具備優(yōu)異的耐溫性能。因此,迫切需要開發(fā)兼具高儲能密度和卓越耐溫性能的聚合物電介質(zhì)材料。


  為了提高聚合物電介質(zhì)的高溫儲能性能,并解耦高儲能密度和低能量損耗之間的矛盾關(guān)系,近日,西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授團(tuán)隊提出了一種通過在熔融擠出造粒過程中物理引入極性缺電子的8-羥基喹啉(8-HQ)來改性聚丙烯(PP介電儲能性能的新策略。缺電子的8-HQ分子最初設(shè)計用于捕獲在高電場下注入的電荷,抑制漏電流密度。令人意外的是,研究發(fā)現(xiàn)它們可以PP晶粒的邊界處積聚,誘導(dǎo)PP晶粒的生長,從而增強(qiáng)了PP薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。這兩種效應(yīng)共同促進(jìn)了PP/8-HQ的高擊穿場強(qiáng)。8-HQ中極性基團(tuán)的引入可以提高PP/8-HQ的介電常數(shù)。擊穿場強(qiáng)和介電常數(shù)的協(xié)同提高,最終實現(xiàn)儲能性能的綜合提升。


  研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)8-HQ的缺電子效應(yīng)和結(jié)晶誘導(dǎo)效應(yīng)共同促進(jìn)了8-HQ擊穿場強(qiáng)的顯著提高,高達(dá)814 MV/m。室溫環(huán)境下,PP/8-HQ薄膜的放電能量密度為9.87 J/cm3,放電效率超過90%@ 800 MV/m)。令人欣喜的是在125oC,PP/8-HQ薄膜的放電能量密度仍可保持在6.96 J/cm3,并具有83%的放電效率和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外,該團(tuán)隊首次通過偏光顯微鏡和熒光顯微鏡聯(lián)用觀察和證明了8-HQPP結(jié)晶行為的影響過程和機(jī)理,8-HQPP分子鏈之間的弱相互作用增強(qiáng)了PP鏈段的運動性,促進(jìn)其有序排列,從而誘導(dǎo)晶粒尺寸增長,且在退火過程中,8-HQ分子均勻地被驅(qū)逐到晶粒邊界,改善了其PP基體中的分散性。這項工作通過物理改性調(diào)控PP的結(jié)晶行為并顯著改善其介電儲能性能和耐溫性能,為高儲能低損耗聚合物電介質(zhì)的制備提供了新策略。


1采用熔融擠壓鑄造和退火工藝制備PP/8-HQ薄膜



2  PPPP/8-HQ薄膜的結(jié)晶行為和熱力學(xué)性質(zhì)。PPPP/8-HQ-X(A)薄膜的 (a)傅立葉變換紅外光譜;(b) XRD譜圖;(c)晶粒尺寸和FWHM圖;(d)結(jié)晶曲線及(e) TmXc%;(f)PP/8-HQIRI圖;(g)PPPP/8-HQ-3(A)薄膜的POM電子照片和(h)熒光電子顯微鏡照片。


3 PP 和 PP/8-HQ 薄膜的機(jī)械性能。PPPP/8-HQ-X(A)薄膜的(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(b)楊氏模量和斷裂伸長率及(c) DMA譜圖;(d)8-HQ促進(jìn)PP鏈段移動的示意圖。


4 PP 和 PP/8-HQ薄膜的介電性能。(a) PP8-HQ復(fù)合材料的0-3模型結(jié)構(gòu)及(b)靜電電勢;(c)PP PP/8-HQ-3(A)薄膜的常溫介電性能;(d)PP/8-HQ-X(A)PP薄膜的介電性能與8-HQ含量關(guān)系圖;(e)PPPP/8-HQ-3(A)薄膜的介電溫譜;(f)25PPPP/8-HQ-3(A)薄膜的DE曲線及(g)高電場下的介電常數(shù)。


5 PP 和 PP/8-HQ 薄膜的高電場絕緣性能。PPPP/8-HQ-3(A)薄膜的(a)擊穿強(qiáng)度;(b)25時的泄漏電流曲線;(c)125時的泄漏電流曲線;(d)等溫表面電位衰減(ISPD)曲線;(e)PP8-HQLUMOHOMO能級分布;(f)8-HQPP晶界構(gòu)建電荷陷阱以及載流子捕獲示意圖。


圖6 PP 和 PP/8-HQ 薄膜的儲能和循環(huán)穩(wěn)定性。 (a) 25(b) 125PPPP/8-HQ-3(A)薄膜的儲能密度和放電效率;(c)本研究與其他已報道的PP基介電材料在25125 90% η 時的Ue比較; (d)PPPP/8-HQ-3(A)薄膜在25200 MV/m下的充放電循環(huán)性能;PPPP/8-HQ-X(A)薄膜的(e)接觸角和粗糙度;(f)180°金屬電極剝離;(g)自愈圖。


  相關(guān)研究成果以“Significantly Enhancing the Energy-Storage Properties of Polypropylene Films by Physically Manipulating Their Permittivity and Crystalline Behavior with Polar Organic Molecules為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。西安交通大學(xué)張志成教授、張美榮助理教授為論文的通訊作者,西安交通大學(xué)碩士研究生馬東為論文第一作者。感謝國家自然科學(xué)基金(No.92066204, 52403074, 52473602, 52373021)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(No. xzy012024055)對本文的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202418631


作者介紹:


  張志成:西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域包括新型氟聚合物的設(shè)計與可控合成,新型電介質(zhì)的分子設(shè)計與偶極調(diào)控,電活性高分子及其在高儲能電容器、壓電傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。


  張美榮:西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院助理教授。主要研究方向為高儲能低損耗聚合物電介質(zhì)的設(shè)計合成、及其介電儲能性能研究。


團(tuán)隊介紹:


張志成教授電功能高分子課題組



課題組簡介:

  張志成教授團(tuán)隊的研究領(lǐng)域主要有有機(jī)氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲能高分子的設(shè)計與可控合成、儲能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無機(jī)多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個方向。團(tuán)隊現(xiàn)有科研人員9人,其中教授4人,副教授3人,助理教授2人,在讀研究生40余人。


  團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來致力于電功能氟聚合物設(shè)計合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究,包括新型氟聚合物的設(shè)計、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來圍繞氟聚合物的合成改性,開發(fā)了多種基于C-Cl、C-F 鍵活化的可控改性方法,為新型氟聚合物的設(shè)計合成開辟了新途徑;在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并取得了豐碩的成果;在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應(yīng)用方面開展了相關(guān)工作,積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國家自然科學(xué)基金項目4項(重點1項,面上2項,青年1項),省部級科研項目8項,橫向項目20余項。以第一(通訊)作者共發(fā)表 高水平論文150余篇,發(fā)表 SCI論文被引用3400余次,個人H因子為33。2010年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃,2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號,獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎二等獎(排名第3),F(xiàn)任《高分子通報》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。

 

  課題組相關(guān)研究:http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang


  課題組長期招收電介質(zhì)儲能、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料等方向的碩士、博士研究生。

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