【儀表網 研發快訊】聚合物電介質因其高耐壓、低介電損耗和優異的運行穩定性，已被廣泛應用于靜電電容器。隨著工業生產和日常應用需求的不斷提升，人們對聚合物薄膜電容器在高溫、高電壓等嚴苛條件下的可靠運行提出了更高要求。然而，與介電陶瓷相比，大多數商用聚合物只能在相對較低的溫度(≤105 ℃)下保持有效工作。當溫度升高時，其絕緣性能和儲能性能顯著退化。具體而言，在高溫環境下，聚合物內部的電荷注入、激發及傳輸過程會導致漏電流呈指數增長，進而引起能量密度下降和充放電效率降低。這些缺陷嚴重限制了聚合物電介質在高溫高功率電氣應用中的進一步發展。
在高溫和高電場下，聚合物電介質的傳導損耗通常由電極限制和體相限制的傳導過程決定，分別表現為肖特基發射和跳躍傳導機制。肖特基發射發生在金屬電極與電介質表面之間的界面處，來自電極的電荷通過“熱激發”獲得足夠的能量，克服界面勢壘注入到聚合物電介質中。跳躍傳導通常發生在聚合物電介質的體相內，隨著溫度和電場的增加，電荷載流子可以獲得更多的能量來跳過聚合物中長程無序結構在短程有序域之間建立的勢壘，從而導致傳導電流急劇增加。
圖1 提升電極/電介質界面肖特基勢壘以實現優異儲能性能
針對電極限制傳導，周迪教授團隊提出一種簡便的自組裝無機納米層涂覆方法，在商用PET薄膜表面沉積含SiO2薄層，并利用P(VDF-HFP)作為分散介質和粘結層以增強界面結合。實驗結果表明，涂層的引入有效提高了聚合物表面肖特基勢壘，抑制載流子注入，從而顯著提升介電聚合物在高溫下的儲能性能。
圖2 “電子-空穴對”策略提升聚合物電介質儲能性能
針對體相限制傳導，周迪教授團隊創新性地將P型半導體分子并五苯(PT)引入到聚醚酰亞胺(PEI)基體中。PT的引入能夠在PT與PEI分子鏈的異質結界面形成“電子–空穴對”，從而有效抑制聚合物基體中的載流子遷移。由此，復合薄膜在高溫150°C下，擊穿強度由純PEI的472.8 MV·m-1提升至683.6 MV·m-1，同時放電能量密度達到7.35 J·cm-3，充放電效率保持在90 %以上。該測試結果充分驗證了“電子-空穴對”策略在提高聚合物電介質高溫儲能方面的顯著效果。與此同時，團隊基于跨尺度協同調控策略，將介觀尺度的自由體積與分子尺度的電荷陷阱相結合，通過將聚酰亞胺與聚醚酰亞胺共混，并引入n型有機半導體——1,4,5,8-萘四甲酸二酐，有效解決了熱-電耦合應力下自由體積塌陷和空間電荷積累的問題。
圖3：基于跨尺度協同調控策略提升聚合物電介質儲能性能。
此外，周迪教授團隊在有機-無機復合介質方面也進行了深入探索。利用本課題組前期開發的新型弛豫鐵電材料Bi?Ti?WO??(Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2210709；Nature Communications, 2024, 15, 3754)，通過化學沉淀法制備核-殼結構Bi?Ti?WO??@MgO(BTWO@MO)納米填料并引入PEI基體，顯著提升了高溫聚合物電介質的絕緣強度與儲能性能。BTWO“核”提供高極化能力，MgO“殼”抑制界面電荷積累，使復合材料在150 °C下實現6.24 J·cm-3的放電能量密度(比純PEI提升197 %)，在400 MV·m-1下仍保持4.80 J·cm-3和87.51 %的效率，并展現出優異的循環穩定性。該研究提出了一種基于核-殼結構填料的有效策略，為極端環境下高性能電介質的應用提供了新思路。
圖4 通過“核-殼”結構納米填料增強的 PEI 基復合材料高溫儲能性能
上述研究成果分別以《一種簡單的表面工程方法用于提升聚合物介電材料的肖特基勢壘以實現優異儲能性能》(A simple surface engineering approach to enhance the Schottky barrier of polymer dielectrics for superior energy storage performance)《通過在聚合物基體中摻雜 P 型分子半導體形成電子-空穴對以增強儲能性能》(Enhanced Energy Storage Performance Through Electron-Hole Pair Formation in Polymer Matrices Doped with P-Type Molecular Semiconductor)《協同調控自由體積與電荷分布提升全有機復合介電材料的高溫儲能性能》(Superior High-Temperature Energy Storage Performance in All-Organic Composite Dielectrics Achieved by Synergistic Regulation of Free Volume and Charge Distribution)《核殼結構納米填料提升聚醚酰亞胺基復合材料的高溫儲能性能》(High-Temperature Energy Storage Performance of Polyetherimide-based Composites Enhanced by Core-Shell Structured Nanofillers)為題發表在國際期刊《材料化學學報A》(Journal of Materials Chemistry A)《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)《微尺度》(Small)以及《微尺度：結構》(Small Structures)上，論文第一作者為西安交通大學電信學部電子科學與工程學院博士生劉濤、劉建君及畢業生郭艷博士(目前就職于河南理工大學)，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授、電氣工程學院劉文鳳教授、材料學院王軼飛特聘研究員及同濟大學翟繼衛教授為共同通訊作者，西安交通大學為第一完成單位。
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