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??至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)它們可以在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。
圖1. 采用熔融擠壓鑄造和退火工藝制備PP/8-HQ薄膜
圖6 PP 和 PP/8-HQ 薄膜的儲能和循環(huán)穩(wěn)定性。 (a) 25℃和(b) 125℃時PP和PP/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25℃、125℃和 90% η 時的Ue比較; (d)PP和PP/8-HQ-3(A)薄膜在25℃和200 MV/m下的充放電循環(huán)性能;PP和PP/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。
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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