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西安交大張志成教授團(tuán)隊(duì)Mater. Horiz.:通過(guò)界面工程設(shè)計(jì)電荷陷阱實(shí)現(xiàn)高溫下聚芳醚酮基復(fù)合材料的超高能量密度和充放電效率
2023-10-17  來(lái)源:高分子科技

  具有高擊穿強(qiáng)度、高能量密度和低能量損耗的聚合物電介質(zhì)可用于高壓薄膜電容器用儲(chǔ)能材料,在智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)和脈沖功率武器等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。能夠高溫工作的電容器對(duì)于下一代新能源汽車(chē)和航空航天電源系統(tǒng)至關(guān)重要。然而,高溫環(huán)境引起電導(dǎo)損耗的急劇增加,顯著惡化了聚合物電介質(zhì)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高溫儲(chǔ)能性能。如何通過(guò)界面設(shè)計(jì)平衡復(fù)合材料高能量密度和低能量損失的關(guān)系,是獲得優(yōu)異的儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵因素。


  近日,西安交大張志成教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)納米BN表面接枝改性得到一種具有高電子親合能的納米填料,并將其引入在功能化PAEK基聚合物中制備交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)加入含量0.3vol%的納米填料m-ABA-BN時(shí),復(fù)合材料的介電儲(chǔ)能性能最佳,在150℃的高溫、600MV/m電場(chǎng),薄膜的能量密度為10.1 J/cm3,可釋放能量效率η>90%。且該介電薄膜在150℃,250MV/m電場(chǎng)下經(jīng)過(guò)105充放電循環(huán)后表現(xiàn)出良好的抗疲勞特性(η=95%)。
通過(guò)熱刺激去極化電流(TSDC)、跳變電導(dǎo)、肖特基發(fā)射等模型構(gòu)建深入探索了復(fù)合材料的擊穿提升機(jī)理,并以Comsol仿真結(jié)果加以佐證。結(jié)果表明,m-ABA-BN的引入可以緩解在基體-填料之間的電場(chǎng)畸變,并產(chǎn)生有效的電荷陷阱,增強(qiáng)捕獲電子的能力。同時(shí),顯著提高了電荷注入勢(shì)壘和界面陷阱能級(jí),交聯(lián)結(jié)構(gòu)協(xié)同降低了薄膜在高溫下的電導(dǎo)損耗。這項(xiàng)工作解決了復(fù)合材料面臨界面問(wèn)題導(dǎo)致的低擊穿高損耗的難題,為開(kāi)發(fā)極端條件下高能量密度和高效率的電介質(zhì)材料提供了一條簡(jiǎn)單有效的新策略。


圖1制備流程圖及化學(xué)結(jié)構(gòu)表征


圖2電擊穿強(qiáng)度、儲(chǔ)能性能及充放電循環(huán)


3電容參數(shù)對(duì)比、電導(dǎo)損耗機(jī)理及仿真模型


  西安交通大學(xué)張志成教授和山東京博化工研究院董博高級(jí)工程師為論文的通訊作者,西安交通大學(xué)博士研究生李馨怡為論文第一作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 92066204,5177316451773166)對(duì)本文的資助。相關(guān)成果以" Superior High-Temperature Capacitive Performance of Polyaryl Ether Ketone Copolymer Composites Enabled by Interfacial Engineered Charge Traps"為題發(fā)表在期刊《Materials Horizons》上。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/D3MH01257C


作者介紹

  張志成,西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域包括新型氟聚合物的設(shè)計(jì)與可控合成,新型電介質(zhì)的分子設(shè)計(jì)與偶極調(diào)控,電活性高分子及其在高儲(chǔ)能電容器、壓電傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。


課題組簡(jiǎn)介


  張志成教授團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域主要有有機(jī)氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲(chǔ)能高分子的設(shè)計(jì)與可控合成、儲(chǔ)能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無(wú)機(jī)多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個(gè)方向。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有科研人員9人,其中教授4人,副教授3人,助理教授2人,在讀研究生40余人。


  團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來(lái)致力于電功能氟聚合物設(shè)計(jì)合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究,包括新型氟聚合物的設(shè)計(jì)、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲(chǔ)能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來(lái)圍繞氟聚合物的合成改性,開(kāi)發(fā)了多種基于C-ClC-F 鍵活化的可控改性方法,為新型氟聚合物的設(shè)計(jì)合成開(kāi)辟了新途徑;在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并取得了豐碩的成果;在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應(yīng)用方面開(kāi)展了相關(guān)工作,積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)(重點(diǎn)1項(xiàng),面上2項(xiàng),青年1項(xiàng)),省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng),橫向項(xiàng)目20余項(xiàng)。以第一(通訊)作者共發(fā)表 高水平論文150余篇,發(fā)表 SCI論文被引用3400余次,個(gè)人H因子為33。2010年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃,2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號(hào),獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(排名第3)。現(xiàn)任《高分子通報(bào)》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。

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(責(zé)任編輯:xu)
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