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上海交大黃興溢教授團(tuán)隊 Nature：在聚合物電工絕緣材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展
2023-03-02  來源：高分子科技
  2023年3月2日（北京時間），上海交通大學(xué)黃興溢教授團(tuán)隊聯(lián)合賓夕法尼亞州立大學(xué)王慶教授團(tuán)隊在聚合物電工絕緣材料研究領(lǐng)域取得重大突破，相關(guān)成果以“Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage”為題發(fā)表在Nature上。聚合物是一類重要的電工絕緣材料，然而聚合物材料的導(dǎo)熱性普遍性較差，提升聚合物的導(dǎo)熱性往往以犧牲絕緣性能為代價，“絕緣和導(dǎo)熱的互為矛盾”是制約聚合物材料在先端電氣電子裝備發(fā)展的瓶頸問題之一。通過等規(guī)鏈段層狀排列構(gòu)建陣列化納米區(qū)域，并在陣列化納米區(qū)域中引入親電陷阱基團(tuán)，在大幅提升柔性聚合物電介質(zhì)薄膜導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上使電阻率提升了一個數(shù)量級，解決了導(dǎo)熱和絕緣的矛盾。聚合物電介質(zhì)薄膜厚度方向的本征導(dǎo)熱系數(shù)為1.96 ± 0.06 W/(mK)，是目前報道的絕緣聚合物本征導(dǎo)熱系數(shù)的最高值。聚合物電介質(zhì)薄膜在200 oC、90%效率下的放電能量密度為5.34 J/cm3，在50000次充-放電循環(huán)后儲能性依然穩(wěn)定，且具有良好擊穿自愈性，在電磁能裝備、新能源汽車、電力電子等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。黃興溢教授和王慶教授為通訊作者，陳杰助理研究員、周垚博士和黃興溢教授為共同第一作者，上海交通大學(xué)為論文的第一完成單位。黃興溢教授和陳杰博士申請的相關(guān)發(fā)明專利已獲得授權(quán)。 


Nature在線發(fā)表黃興溢教授課題組的研究成果


  聚合物電介質(zhì)薄膜電容器具有極高的能量轉(zhuǎn)換速率，在電磁能裝備、電力電子以及新能源裝備等領(lǐng)域的作用至關(guān)重要。隨著裝備、器件往緊湊化、輕量化、工作環(huán)境極端化方向發(fā)展，對聚合物電介質(zhì)薄膜的儲能密度以及耐高溫性能的要求越來越高。電荷存儲密度和電場強(qiáng)度的平方成正比，因此，電介質(zhì)薄膜承受的電場增加，電荷存儲密度則會快速增加。然而，聚合物薄膜在高電場下以電子電導(dǎo)為主，不再符合歐姆定律，電導(dǎo)電流隨電場強(qiáng)度增加呈指數(shù)增大，會產(chǎn)生大量的焦耳熱。傳統(tǒng)聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低（< 0.2 W/(mK)），散熱效率很低，會造成介質(zhì)溫度快速升高，進(jìn)而引起電導(dǎo)指數(shù)增加、耐電強(qiáng)度急速降低等連鎖反應(yīng)，從而造成器件、裝備失效等嚴(yán)重問題，在高溫下工作的器件裝備散熱問題尤其提出。盡管可以通過引入納米添加等方式增加聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，但這往往以犧牲耐電強(qiáng)度為代價，更重要的納米添加給薄膜制造工藝帶來極大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)耐高溫、本征高導(dǎo)熱的聚合物電介質(zhì)薄膜是最好選擇。


  黃興溢團(tuán)隊設(shè)計了一種含氟缺陷的雙鏈結(jié)構(gòu)共聚物PSBNP-co-PTNI，該共聚物通過π-π堆疊作用自組裝成高度有序陣列。通過偏振拉曼光譜測試發(fā)現(xiàn)，共聚物薄膜的偏振信號在平面上呈各向同性，在斷裂面上呈各向異性，表明有序陣列平行于表面，因此，電介質(zhì)薄膜在垂直平面方向表現(xiàn)出1.96 ± 0.06 W/(mK)的高導(dǎo)熱系數(shù)。 


圖1雙鏈結(jié)構(gòu)聚合物電介質(zhì)薄膜的分子結(jié)構(gòu)和自組裝形貌


  密度泛函理論分析和熱刺激電流實(shí)驗表明，PSBNP和PTNI嵌段間存在深度為1.51 eV的電荷陷阱，且隨著外電場強(qiáng)度增加，電荷陷阱深度進(jìn)一步增大。在PSBNP有序陣列中引入2 mol%的PTNI分子，共聚物PSBNP-co-PTNI0.02表現(xiàn)出最優(yōu)的電氣絕緣性和最高的電擊穿強(qiáng)度。 


圖2雙鏈結(jié)構(gòu)聚合物電介質(zhì)的導(dǎo)電性和電擊穿強(qiáng)度


  電極化儲能測試表明，PSBNP-co-PTNI0.02在150 oC和200 oC下最大放電能量密度分別為10.42 J/cm3和8.37 J/cm3，90%效率下的放電能量密度分別為6.18 J/cm3和5.34 J/cm3，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的聚合物及其復(fù)合電介質(zhì)薄膜。 


圖3雙鏈結(jié)構(gòu)聚合物電介質(zhì)的靜電儲能性


  采用紅外相機(jī)直觀地研究了200 oC、300 MV/m下PSBNP-co-PTNI0.02和聚醚酰亞胺（PEI，已知最好的商品耐高溫聚合物電介質(zhì)薄膜）的連續(xù)充-放電循環(huán)過程中的發(fā)熱現(xiàn)象，在高導(dǎo)熱的PSBNP-co-PTNI0.02薄膜中未觀察到局部熱積聚現(xiàn)象，而低導(dǎo)熱的PEI膜則出現(xiàn)了明顯的局部熱積聚。研究團(tuán)隊模擬電介質(zhì)薄膜電容器芯子的熱場分布，發(fā)現(xiàn)PSBNP-co-PTNI0.02薄膜電容芯子的中心溫度遠(yuǎn)低于PEI薄膜電容芯子，充-放電循環(huán)更加穩(wěn)定，實(shí)驗也證明PSBNP-co-PTNI0.02薄膜連續(xù)充-放電循環(huán)壽命是PEI薄膜的6倍。


  值得一提的是，PSBNP-co-PTNI0.02的碳含量相對較低，這賦予了其優(yōu)異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區(qū)域四周的鋁金屬電極被蒸發(fā)除去，碳化通道孤立于金屬電極，是擊穿后的金屬化聚合物薄膜整體仍保持高絕緣性。自愈后的儲能性沒有出現(xiàn)明顯劣化，仍能進(jìn)行10000次的連續(xù)充-放電循環(huán)。 


圖4雙鏈結(jié)構(gòu)聚合物電介質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定性和自愈性


  這一研究是電氣工程、化學(xué)、材料、工程熱物理等多學(xué)科的深度交叉融合。上海交通大學(xué)江平開教授、朱新遠(yuǎn)教授、于春陽副研究員、錢小石教授、鮑華教授、西安交大李盛濤教授和西南交大吳廣寧教授等也參與了本項研究。研究獲得了國家自然科學(xué)基金（51877132, 52003153, U19A20105, 51522703, 52103303）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃（21XD1401600）、電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金（EIPE20203, EIPE21206）等的資助。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05671-4

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