上海交大黄兴溢教授团队连发 Adv. Mater./AFM: 在聚合物电工绝缘材料领域取得新进展

2023-10-08 来源：高分子科技

聚合物因其具有成本低、易加工、重量轻以及高击穿强度等固有优势，是高能量密度电容器的首选电介质。其中，双轴取向聚丙烯（BOPP）是当前应用最为广泛的聚合物电介质。然而，当温度高于85 ℃时，传导电流的增加导致耐电强度急剧下降，BOPP的储能密度和使用寿命都会迅速下降。传统的耐高温聚合物含有较多的苯环共轭结构，带隙的降低也会使得其高温传导电流显著增加。同时，含苯环聚合物的具有较高的C/H比，电介质薄膜在击穿时产生的沉积碳容易使上下金属电极联通，失去自愈性。

近日，上海交通大学黄兴溢团队从分子设计角度入手，设计了一种非芳香聚降冰片烯共聚物。这类聚合物具有带隙宽（～ 4.64 eV）和电荷跳跃距离短（～ 0.63 nm）的特点，在高温和高电场下表现出优异的电绝缘性，电导率比聚醚酰亚胺（PEI）低两个数量级。同时，引入微量半导电分子可赋予该聚合物更高的放电能量密度和充放电效率（95%效率下放电能密度3.73 J cm^?³，150 °C），优于现有的高温介电聚合物。并且，由于非芳香结构带来的低C/H比，该聚合物显示出优异的自愈能力。

图1 化学结构、电性能以及电击穿强度

图2 带隙以及储能性能

相关工作以“Aromatic-Free Polymers Based All-Organic Dielectrics with Breakdown Self-Healing for High-Temperature Capacitive Energy Storage”为题发表于Advanced Materials上。文章第一作者为上海交通大学陈杰助理研究员，通讯作者为黄兴溢教授。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202306562

交联是提高聚合物材料使用温度的重要手段。针对传统热交联方式带来的杂质难脱除、加工方式复杂繁琐等问题，黄兴溢团队报道了一种利用肉桂酸基团进行紫外交联的方法。该方法同时具有简便易行、无杂质、省时、节能等优势，并且可以在介电聚合物基质内构建宽带隙异质结构。通过这种方法，成功实现了聚合物耐热性和电绝缘性的协同增强，交联后聚合物的Weibull特征击穿强度在室温和150 ℃下分别达到了1057和810 MV m^?¹，同时在保持效率＞90%的前提下分别显示出14.28 J cm^-3和5.55 J cm^-3的放电能量密度。此外，该聚合物还表现出了出色的电击穿自愈特性。

图3 紫外光交联以及交联后结构示意图

图4 介电性能、电击穿强度及储能性能

相关工作以“Wide Bandgap Heterostructured Dielectric Polymers by Rapid Photo-Crosslinking for High-Temperature Capacitive Energy Storage”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者为上海交通大学研究生裴展涛，通讯作者为陈杰助理研究员和黄兴溢教授。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307639

上述工作得到了国家自然科学基金等的支持。

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（责任编辑：xu）

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