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上海交大黃興溢教授團隊連發 Adv. Mater./AFM: 在聚合物電工絕緣材料領域取得新進展

2023-10-08 來源：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度等固有優勢，是高能量密度電容器的首選電介質。其中，雙軸取向聚丙烯（BOPP）是當前應用最為廣泛的聚合物電介質。然而，當溫度高于85 ℃時，傳導電流的增加導致耐電強度急劇下降，BOPP的儲能密度和使用壽命都會迅速下降。傳統的耐高溫聚合物含有較多的苯環共軛結構，帶隙的降低也會使得其高溫傳導電流顯著增加。同時，含苯環聚合物的具有較高的C/H比，電介質薄膜在擊穿時產生的沉積碳容易使上下金屬電極聯通，失去自愈性。

近日，上海交通大學黃興溢團隊從分子設計角度入手，設計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，在高溫和高電場下表現出優異的電絕緣性，電導率比聚醚酰亞胺（PEI）低兩個數量級。同時，引入微量半導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），優于現有的高溫介電聚合物。并且，由于非芳香結構帶來的低C/H比，該聚合物顯示出優異的自愈能力。

圖1 化學結構、電性能以及電擊穿強度

圖2 帶隙以及儲能性能

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

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

交聯是提高聚合物材料使用溫度的重要手段。針對傳統熱交聯方式帶來的雜質難脫除、加工方式復雜繁瑣等問題，黃興溢團隊報道了一種利用肉桂酸基團進行紫外交聯的方法。該方法同時具有簡便易行、無雜質、省時、節能等優勢，并且可以在介電聚合物基質內構建寬帶隙異質結構。通過這種方法，成功實現了聚合物耐熱性和電絕緣性的協同增強，交聯后聚合物的Weibull特征擊穿強度在室溫和150 ℃下分別達到了1057和810 MV m^?¹，同時在保持效率＞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，該聚合物還表現出了出色的電擊穿自愈特性。

圖3 紫外光交聯以及交聯后結構示意圖

圖4 介電性能、電擊穿強度及儲能性能

相關工作以“Wide Bandgap Heterostructured Dielectric Polymers by Rapid Photo-Crosslinking for High-Temperature Capacitive Energy Storage”為題發表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者為上海交通大學研究生裴展濤，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

上述工作得到了國家自然科學基金等的支持。

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（責任編輯：xu）

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