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西安交大张志成教授团队《Mater. Horiz.》:缺电子喹啉基团助力极性聚合物电介质的高脉冲放电储能性能
2023-04-12  来源:高分子科技

  电介质电容器由于充放电速度快,功率密度高等优点在微电子、生物医疗、混合动力汽车、大功率换能器、高压输电系统和军事领域得到广泛应用。但是极化强度和击穿场强之间的矛盾导致了电介质材料较低的储能密度并且限制了电子器件集成化、微型化的发展趋势。如何平衡极化和击穿场强之间的矛盾,对于获得优异的储能性能具有重要意义。


  近日,西安交通大学化学学院张志成教授团队提出了一种不依赖高极性基团来提高聚合物电介质储能密度的方法。该工作以PMMA为例,通过在极性聚合物中引入大体积缺电子的乙烯基喹啉(VQQ)单元,其可以同时抑制极化弛豫和电荷传导引起的能量损失。为避免小分子VQQ在聚合物基体中的迁移,将其先与MMA预共聚,合成VQQ含量为11 mol%P(MMA-VQQ)共聚物,再与PMMA基体按设计的摩尔比共混。随着共混聚合物中大体积缺电子VQQ单元含量的增加,聚合物的αβ弛豫带来的能量损耗逐渐得到抑制。此外缺电子的喹啉环作为电荷陷阱可以有效抑制材料内部泄露电流并提高其击穿场强,最终实现储能性能的综合提升。


  研究发现室温环境下当喹啉单元的含量为3.8 mol%时,PMMA/P(MMA-VQQ)的介电储能性能最佳,800 MV/m电场时,薄膜的能量密度为16.1 J/cm3η=90%)。在100℃环境下当当喹啉单元的含量为5.5 mol%时,PMMA/P(MMA-VQQ)的介电储能性能最佳,在750 MV/m电场时,薄膜的能量密度为13.5 J/cm3η=90.5%)。且该介电薄膜经过104充放电循环后表现出良好的抗疲劳特性。通过热刺激去极化电流(TSDC)和密度泛函理论(DFT)的综合测试计算发现PMMA/P(MMA-VQQ)优异的介电储能性能主要是通过大体积缺电子喹啉单元抑制弛豫损耗和漏导损耗实现的。这项工作为为平衡极性聚合物高介电常数和高击穿强度之间的矛盾并同时实现高放电能量密度和高放电效率的全有机聚合物电介质的制备提供了新策略。


 1. (a) PMMA/PMMA-VQQ聚合物复合薄膜制备流程图;(b) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合薄膜的紫外吸收光谱图;(c)(d) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)-3.8 mol% SEM和能谱图;(e)PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合薄膜的DSC图;(f) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合薄膜的应力-应变曲线;(g) PMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合薄膜的卷绕图片 


2. (a)(b) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料的介电频谱;(c)(d) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料的介电温谱。


3. (a)(b) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料在室温下的能量密度和放电效率(c) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料在室温和500 MV/m电场下能量损耗;(d)(e) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料在100°C时的能量密度和放电效率;(c) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料在100°C500 MV/m电场下的能量损耗(g)(h) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)聚合物复合材料在室温下的放电能量密度和功率密度;(i) PMMA400 MV/m时和PMMA/P(MMA-VQQ)-3.8 mol%700 MV/m时的抗疲劳特性 


4. (a) (b) 介电薄膜在室温100°C时的击穿分布;(c) 和 (d) 介电薄膜在室温和100°C泄露电流密度;(e) 和 (f) PMMAPMMA/P(MMA-VQQ)-3.8 mol%的热刺激去极化电流(g) PMMAP(MMA-VQQ)的能带分布图;(h) PMMA/P(MMA-VQQ)复合材料中载流子捕获示意图。


  相关研究成果以“Depressing Relaxation and Conduction Loss of Polar Polymer Materials by Inserting Bulky Charge Traps for Superior Energy Storage Performance in High-pulse Energy Storage Capacitors Application”为题发表在《Materials Horizons》。西安交通大学张志成教授、魏晓勇教授和山东京博化工刘振学高级工程师为论文的通讯作者,西安交通大学博士研究生张美荣为论文第一作者。感谢国家自然科学基金(No. 92066204, 92166205, 52073225, 52003214)、陕煤联合基金(No. 2019JLM-31)对本文的资助。


  论文链接:https://doi.org/10.1039/D3MH00262D


团队介绍


张志成教授电功能高分子课题组


课题组简介:

张志成教授团队的研究领域主要有有机氟化学与氟聚合物化学改性、先进储能高分子的设计与可控合成、储能聚合物复合电介质研究、智能材料合成与传感器应用、生物医学功能材料、无机多孔材料水污染治理应用研究等六个方向。团队现有科研人员9人,其中教授4人,副教授3人,助理教授2人,在读研究生40余人。

团队负责人张志成教授十几年来致力于电功能氟聚合物设计合成及先进聚合物电介质研究,包括新型氟聚合物的设计、改性方法、氟聚合物材料的结构性能关系研究、电活性氟聚合物及其在高储能电容器、传感器等领域的应用等。近年来围绕氟聚合物的合成改性,开发了多种基于C-Cl、C-F 键活化的可控改性方法,为新型氟聚合物的设计合成开辟了新途径;在氟聚合物铁电压电特性及电性能调控方面进行了系统研究,并取得了丰硕的成果;在铁电聚合物薄膜传感器及能量收集应用方面开展了相关工作,积累了一定的研究基础。主持国家自然科学基金项目4项(重点1项,面上2项,青年1项),省部级科研项目8项,横向项目20余项。以第一(通讯)作者共发表 高水平论文150余篇,发表 SCI论文被引用3400余次,个人H因子为33。2010年入选教育部新世纪优秀人才计划,2019年获得陕西省职工十大创新创业人物称号,获2021年陕西省技术发明奖二等奖(排名第3)。现任《高分子通报》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大学化学》等期刊编委。


课题组相关研究:http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang

课题组长期招收高分子、电介质储能、介电弹性体、聚合物铁电压电材料等方向的硕士、博士研究生。

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(责任编辑:xu)
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