黃興溢＆王慶團隊最新Nature

黃興溢＆王慶最新Nature：用于高溫儲能的聚合物電介質薄膜

【導讀】

以雙向拉伸聚丙烯(BOPP)為代表的聚合物由于其成本低廉、易加工、質量輕、擊穿強度高、失效機制明確等優點，成為高能量密度電容器的首選介質。電動汽車、地下油氣開采和航空航天系統等高溫儲能，需要能夠在高電場和高溫下工作的電介質聚合物。然而，當溫度高于85℃時，BOPP的性能和壽命迅速惡化，需要進行30-50%的電壓降。近年來，人們致力于開發具有高玻璃化轉變溫度(T_g)的工程化聚合物用于高溫電容器，但成效有限。即使在遠低于聚合物T_g的溫度下，漏電流隨外加熱場和電場的急劇增加也會導致較大的電導損耗，從而導致較差的充放電效率(η)和較低的放電能量密度(U_d)。聚合物是一類重要的電工絕緣材料，然而聚合物材料的導熱性普遍較差，提升聚合物的導熱性通常以犧牲絕緣性能為代價。對于高溫下的電容儲能，需要介電聚合物將低導電和高導熱集成在一起。這些看似矛盾的性質的共存對于現有的聚合物仍然是一個持續的挑戰。

【成果掠影】

今日，上海交通大學黃興溢教授團隊與美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授團隊合作，報道了一種新型聚合物電介質薄膜，在大幅提升導熱性能的基礎上使電阻率提升了一個數量級，解決了導熱和絕緣的矛盾。因此，在200°C下，梯形共聚物具有5.34?J?cm^-3的放電能量密度和90%的充放電效率，優于現有的介電聚合物和復合材料。具體來說，本工作設計了一種含氟缺陷的雙鏈結構共聚物PSBNP-co-PTNI，該共聚物通過π-π堆積作用自組裝成高度有序的陣列，從而產生1.96±0.06?W?m^-1K^-1的本征面內熱導率。共聚物薄膜的高熱導率允許有效的焦耳熱耗散，因此在高溫和高電場下具有優異的循環穩定性。共聚物的擊穿自修復能力的證明進一步表明了梯形結構對于在極端條件下工作的高能量密度聚合物電容器的前景。相關論文以題為“Ladderphane copolymers for high-temperature capacitive energy storage”發表在Nature上。

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【數據概況】

圖1. 聚合物電介質薄膜的分子結構和自組裝形貌

圖2. 聚合物電介質薄膜的導電性和電擊穿強度

圖3. 聚合物電介質薄膜的靜電儲能性

圖4. 聚合物電介質的內部溫度，循環穩定性和自愈性

【成果啟示】

綜上所述，本工作報道了一種新型聚合物電介質薄膜，在大幅提升導熱性能的基礎上使電阻率提升了一個數量級，將低導電和高導熱集成在一起。這種源于組成設計和自組裝形貌協同作用的梯形共聚物的顯著特征導致了多種高溫電容儲能性能(即U_d、η、E_b、循環穩定性和自愈能力)的顯著改善。我們的研究結果克服了電介質材料的一個顯著限制，并建立了一個有前途的設計平臺，將優異的介電性能和高熱導率結合在可溶液加工的電介質中，用于下一代能源和電子器件。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05671-4