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最新《Nature》:用于高温电容储能的梯形共聚物

最新《Nature》:用于高温电容储能的梯形共聚物

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-03-06 15:12
  • 访问量:

【概要描述】

最新《Nature》:用于高温电容储能的梯形共聚物

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2023年3月1日,上海交通大学机械工程学院联合多家单位在《Nature》上发表题为Ladderphane copolymers for hightemperature capacitive energy storage的研究文章,采用了聚降冰片基双疏苯乙烯——一种由连接到两个聚合物主链的多层连接剂组成的双链聚合物,同时实现了聚合物梯面中最低的高场高温电导率和最大的本征通面导热率。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05671-4

  研究简介  

为实现在高温下进行电容储能,需要介质聚合物将低导电率与高导热率结合起来。要让相互矛盾的性质共存仍然是现有聚合物的一个大挑战。本文描述了一类酚醛共聚物,在高电场和高温下,其电导率比现有聚合物低一个数量级以上。结果表明,该梯形共聚物在200℃时的放电能量密度为5.34J cm-3,充放电效率为90%,优于现有的介电聚合物和复合材料。梯形共聚物通过π-π叠加相互作用自组装成高度有序的阵列,从而产生了1.96±0.06 Wm-1K-1的内在通平面热导率。共聚物薄膜的高热导率允许有效的焦耳散热,因此,在高温和高电场下具有良好的循环稳定性。共聚物的击穿自愈能力的展示,表明了在极端条件下工作的高能量密度聚合物电容器的梯形结构的前景。

  研究内容简介  

以双向取向聚丙烯(BOPP)为代表的聚合物由于其固有的优点(如低成本、易加工、重量轻、高断裂强度和良好的失效机制),成为高能量密度电容器的首选介质。电动汽车、地下石油/天然气勘探和航空航天系统等高温应用的电能存储需要用能够在高电场和高温下工作的介电聚合物。然而,当温度高于85°C时,BOPP需要有30-50%的电压降额,因为性能和寿命会迅速恶化。最近,人们在利用具有高玻璃化转变温度(T)的工程聚合物作为高温再电容器方面做出了巨大努力,但并未取得明显进展。
外加的热场和电场使得泄露电流急剧增加,导致了较大的传导损耗,从而导致了较差的充放电效率(η)和较低的放电能量密度(Ud),即使在远低于聚合物的的温度下也是如此。此外,大的传导损耗所产生的焦耳热可能引起热流和电容器失效。因此,为了有效地消散焦耳热能,高温介质需要较高的导热系数。然而,除了金刚石和立方氮化硼等少数几种具有优良电绝缘性能的介质,都是较差的导热体。尽管无机填料已被引入聚合物中以阻碍导电并提高导热性,但由于电阻率和导热性通常呈负相关,因此尚未实现将这两种特性集成到单一聚合物结构中。
本研究采用了聚降冰片基双疏苯乙烯——一种由连接到两个聚合物主链的多层连接剂组成的双链聚合物。密度泛函理论(DFT)模拟证实,具有高电子亲和单元的梯形共聚物能够阻碍导电,特别是在高电场下。结果表明,该共聚物的电导率比最好的高温介电聚合物聚醚(PEI)低近40倍,在高温场和高温下,在Ua、nand击穿强度方面具有创纪录的高温电容性能。我们观察到共聚物的π-π相互作用驱动的自组装和二维高度有序阵列的形成,这有利于跨聚合物链的传热。由此产生的高通平面导热性避免了过热,并使共聚物薄膜在200°C时具有高场循环稳定性。研究人员还证明了共聚物的击穿自愈能力,源于含氧聚合物结构中相对较低的碳比。

图1 化学结构和自组装形态。

图2 导电和介电击穿。

图3 电容储能性能。

图4 内部温度、循环稳定性及自愈。

研究结果表明,与现有的体块聚合物相比,本研究同时实现了聚合物梯面中最低的高场高温电导率和最大的本征通面导热率。这种源于组成设计和自组装形态协同作用的梯形共聚物的独特特征,使其多种高温容性储能性能得到显著改善。该发现绕过了介电材料的一个显著限制,并建立了聚合物梯形结构作为一个有前途的设计平台,用于将出色的介电性能和高导热性结合在可溶液加工的介质中,用于下一代能源和电子设备。


 

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