【儀表網 研發快訊】隨著現代電子電氣系統的不斷發展，聚合物介電材料需具備出色的高溫穩定性和能量存儲能力，以應對新的技術挑戰。介電聚合物具有輕便和耐高壓的優勢，因此在靜電薄膜電容器中至關重要。然而，這些材料在極端熱環境下的耐受性較差。因此，開發能夠在高溫下承受強電場的耐熱介電聚合物對于實現電氣化至關重要。然而，平衡熱穩定性和電絕緣性非常困難，因為這兩種性質往往呈現出負相關的關系。
針對這一問題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授團隊提出了一種疊層結構設計方法，將具有穩定準線性電滯回線和較高介電常數的無機填料顆粒與具有高擊穿強度的PEI薄膜相結合。通過固相反應法制備了具有高介電常數和低損耗的0.55Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3-0.45(Bi0.1Sr0.85)TiO3(BNKT-BST)致密陶瓷，同時采用流延和熱壓工藝制備不同結構BNKT-BST/PEI納米復合材料(圖1)。引入BNKT-BST無機填料顯著提高了PEI基復合材料的介電常數、擊穿強度和力學性能，同時降低了損耗和漏電流密度，從而獲得了優異的能量存儲性能。更重要的是，在150 ℃和650 MV m-1條件下，三層結構的0-0.75-0納米復合材料實現了最高放電能量密度為7.7 J cm?³，充放電效率為80.2 %(圖2)。同時，該研究闡明了電極尺寸對聚合物基復合材料介電常數和能量密度的影響，為如何規范電容器的儲能密度測量提供了一個可靠的標準，這在相當長的一段時間內被許多研究者所忽視。對于聚合物電介質及其復合材料，?r一般小于10，電極尺寸將嚴重影響其電容和儲能性能(電極小，回路寄生電容和邊緣效應貢獻大，電容虛高)，亟需確立介電性能實驗室測試標準，以免誤用的數據進一步積累而導致的負面影響。例如，由于不同器件的寄生電容不完全相同，應盡量增大電極面積減小寄生電容對測試的影響；或建立統一的測試標準(如用商用的PTFE、BOPP等進行標定)，以減少電容虛大和儲能密度虛高的現象。
圖1 通過疊層結構設計，陶瓷顆粒/聚合物復合材料在高溫條件下實現超高放電能量密度(Ud)與充放電效率(η)的示意圖。
圖2 BNKT-BST/PEI納米復合材料在150 °C下的儲能性能。
該研究成果以“通過填料和結構設計實現聚醚酰亞胺復合膜在150 ℃下的超高電容儲能密度”(Ultra-High Capacitive Energy Storage Density at 150°C Achieved in Polyetherimide Composite Films by Filler and Structure Design)為題發表在《先進材料》(Advanced Materials)上，該工作第一通訊單位為西安交通大學，電信學部電子學院博士生郭艷、趙維琛為共同第一作者，西安交通大學電子學院周迪教授、電氣工程學院劉文鳳教授、西安工業大學龐利霞教授及北京理工大學黃厚兵教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、陜西省國際合作項目等項目的資助，西安交通大學國際介電研究中心提供了大量測試表征支持。
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