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  聚合物薄膜電容器在新能源汽車逆變器、電網(wǎng)調(diào)頻、光伏/風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、先進(jìn)電子設(shè)備等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。其中，雙向拉伸聚丙烯 (BOPP)電介質(zhì)薄膜，由于具有高充放電效率和成熟的制造技術(shù)，成為最先進(jìn)的用于商用聚合物薄膜電容器的電介質(zhì)材料，占據(jù)了~50%的聚合物電容器市場(chǎng)份額。然而，由于電容能量密度低，BOPP電容器通常占據(jù)器件體積和重量的30%以上，而且由于僅能承受較低的工作溫度<105℃，很多場(chǎng)景下（以新能源混合動(dòng)力汽車為例，其薄膜電容器的工作環(huán)境溫度可達(dá)125-150℃）需要額外布置冷卻系統(tǒng)，不可避免地限制了現(xiàn)代電子電氣系統(tǒng)的小型化發(fā)展。

  最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與安徽銅峰電子公司研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了利用γ輻照優(yōu)化不同聚合物電介質(zhì)材料介電常數(shù)、擊穿強(qiáng)度、工作溫度的策略。利用高能、強(qiáng)穿透性的γ射線輻照對(duì)BOPP分子鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，引入了強(qiáng)極性的羥基和羰基基團(tuán)，不僅提高了介電常數(shù)，更為重要的是引入了深陷阱能級(jí)，可降低高場(chǎng)、高溫下漏電流和電-熱擊穿概率。另外，γ輻照還能引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而提高楊氏模量，降低電-機(jī)械擊穿的概率。因此，該方案提高BOPP的擊穿強(qiáng)度40%至968 MV/m，擊穿強(qiáng)度下的儲(chǔ)能密度達(dá)到10.4 J/cm³，比原始BOPP提高了108%，且儲(chǔ)能效率高達(dá)97.3%，優(yōu)于目前的商用聚合物電容膜、已報(bào)道的全有機(jī)聚合物和PP基復(fù)合材料。而且在600 MV/m高電場(chǎng)條件下經(jīng)歷20000次循環(huán)充放電測(cè)試，儲(chǔ)能密度依然穩(wěn)定維持在4.06 J/cm³，效率為98%。特別是，γ輻照還優(yōu)化了BOPP的工作溫度。在125℃下，γ輻照的BOPP在擊穿場(chǎng)強(qiáng)770 MV/m條件下的儲(chǔ)能密度達(dá)到5.88 J/cm³，效率為90%，儲(chǔ)能密度相對(duì)于原始BOPP提高了97% (2.98 J/cm³，對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為576 MV/m，效率僅為76%)。擊穿強(qiáng)度、工作溫度的優(yōu)化也有利于提升聚合物電容器耐受紋波電壓和電流的能力，利于其安全使用。

  相關(guān)成果以“ γ-Ray Irradiation Significantly Enhances Capacitive Energy Storage Performance of Polymer Dielectric Films”為題在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Adv. Mater.)上。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助。

  論文信息：

  第一作者：王藝偉

  通訊作者：李曉光；殷月偉；沈勝春

  通訊單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

  合作單位：安徽銅峰電子股份有限公司

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308597