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  聚合物電介質電容器由于其成本低、柔韌好、安全性高以及超高的功率密度等優(yōu)點，從而在無源電容元件，逆電器，脈沖功率電源技術等領域存在廣泛的應用。但聚合物電介質電容器具有低儲能密度和低工作溫度的缺點，限制了電子元件的小型化和集成化。目前，大多數解決的方法是制備聚合物基無機納米復合介電材料。然而，高含量的填料在聚合物基體中容易聚集，導致復合材料會以犧牲聚合物的擊穿強度和柔性為代價來獲取高介電常數。此外，大部分電介質材料的能量密度及效率在高溫下將急劇下降。因此，現(xiàn)階段對于如何同時獲得具有高介電常數、高擊穿場強、高效率和耐高溫的介電材料是一個巨大挑戰(zhàn)。

  近年來，三明治結構薄膜在提高介電聚合物的儲能性能上提供了一條極具潛力的途徑。湘潭大學陳盛課題組采用簡單經濟的溶液澆鑄法成功地制備了一種由耐高溫的線性電介質和鐵電聚合物組成的全有機三明治結構介電聚合物薄膜，以“Enhanced performance of all-organic sandwich structured dielectrics with linear dielectric and ferroelectric polymer”為題發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

圖1.正向三層結構、反向三層結構及共混薄膜的制備

  該團隊通過使用高介電常數的鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CTFE)和高擊穿強度和高效率的耐高溫的線性電介質PEI，制備了一系列正向三明治結構薄膜、反向三明治結構薄膜和單層共混薄膜（圖1），深入研究了線性/鐵電聚合物體積比和聚合物薄膜結構對儲能性能的影響。實驗結果表明，優(yōu)化線性/鐵電聚合物體積比后的全有機正向三明治結構薄膜能承受最高擊穿場強為530 kV/mm，最大放電能量密度為8.0 J/cm³，是純PEI膜的兩倍以上，且效率可達81%（圖2）。

圖2.(a)所有正向三明治結構的薄膜,(b)所有反向三明治結構的薄膜在不同電場下以及(c)所有三明治結構的薄膜在最高電場下的放電能量密度和效率

  文中還從結晶度、晶型、電導率、漏電流、介電常數理論計算值與實驗值、電場分布理論計算值與有限元模擬等多方面來解釋和論證三明治結構薄膜的擊穿強度和儲能密度及效率的變化規(guī)律。同時，高溫測試結果表明正向三明治結構薄膜在25℃到100℃之間具有優(yōu)異的介電及儲能溫度穩(wěn)定性（圖3）。該研究為制備具有高儲能和耐高溫的全有機三明治結構薄膜提供了理論分析和實驗指導，促進了柔性聚合物高溫介質電容器的發(fā)展和應用。

圖3.(a)正向三明治結構薄膜P-15-P，反向三明治結構薄膜7.5-P-7.5和3 vol％ PVTC/PEI共混薄膜在不同頻率下的介電常數的溫度依賴性；(b)在最高電場下P-15-P和7.5-P-7.5的放電能量密度和效率與溫度的關系

  論文的第一作者為湘潭大學化學學院研究生王超。通訊作者為陳盛副教授，共同通訊作者為中南大學羅行副教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA00974E