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    杭州電子科技大學汶飛JMCA:氰基的存在提高高溫介電聚合物聚(丙烯腈丁二烯苯乙烯)的能量密度和效率
    2020-07-29  來源:高分子科技

      近日,杭州電子科技大學電子信息學院智能傳感器和微系統教育部工程中心汶飛博士在Journal of Materials Chemistry A (影響因子:11.301)上發表題為 “A high-temperature dielectric polymer Poly(acrylonitrile butadiene styrene) with enhanced energy density and efficiency due to a cyano group”的研究論文(DOI: 10.1039/D0TA03540H)。其中,麻省理工學院張麟博士(Research Scientist)為共同第一作者,通訊作者是伍倫貢大學張樹君教授李麗麗博士


      作為電力、電氣及電子信息系統中最重要的電子元器件之一,薄膜電容器被廣泛應用于電路中實現隔直通交、耦合、旁路、濾波、能量轉換及控制等功能。與電池、電化學電容器等相比,薄膜電容器具有使用電場強度高、電能釋放速度快、功率密度高等特點,尤其適用于需要在短時間內釋放出大量電能的放電電容器。高溫薄膜電容器已廣泛應用于眾多領域,例如混合動力汽車,智能電網和脈沖電源中的儲能組件。目前,商用雙向拉伸的聚丙烯(BOPP)制成的薄膜電容器具有高能量效率,但是,較低的介電常數使其儲存電能密度相對較低,已經難以滿足這些系統對高能量密度的需求。近年來,科學家通過改性極性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,將PVDF基聚合物的大幅能量密度大幅度提高,達到17 J/cm3。然而,在實際使用中不僅需要優越的電性能,還要具有優秀的溫度穩定性。如在電動汽車領域,薄膜電容器的工作區域溫度在70~90℃之間,這不僅要求電介質材料具有較高的介電常數、擊穿電場強度和儲能密度等,還要在使用溫度下具有良好的溫度穩定性。


    圖1 電容器的應用領域和本文中的ABS儲能密度


      在本論文中,選取通用的工程塑料——聚(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)(ABS)聚合物作為研究對象,這是由于它具有這些優勢:1),具有較高的玻璃化轉變溫度(大于120℃),有助于獲得優異的高溫性能;2)它的分子結構中擁有極性基團——氰基(來自丙烯腈),有助于獲得較高的極化值,進而獲得高能量密度;3)它的結構中的另一主要組成部分苯乙烯(PS)是一種高效率的線性基團。這些特征有助于該材料獲得高溫下,高能量密度和高效率的性能。


    圖2 ABS分子結構


      本文中通過流延法制備了聚ABS聚合物薄膜,通過熱重分析(TGA)分析,ABS材料在300℃下可以穩定存在;在進一步熱分析和溫譜測試下,ABS的玻璃化轉變溫度高于120℃;此外,介電常數和損耗在120℃保持常數,說明該材料可以在120℃高溫下作為儲能電介質材料。通過P-E loop 和儲能測試,在525 MV/m和室溫下,獲得可釋放能量密度約為7.3 J/cm3


    圖3 室溫下,BOPP,PS和ABS儲能密度與效率


      特別重要的是,在溫度從室溫~120℃測試中,ABS薄膜在可釋放密度和效率方面保持良好的穩定性。在120℃的溫度測試下,ABS薄膜獲得了可釋放能量密度高達6.7 J/cm3和效率達到75%。


    圖 4變溫中,BOPP,PS和ABS儲能密度與效率,以及在120℃下ABS的儲能特性和P-E loop


      眾所周知,電子元件的小型輕量化是非常重要的,特別是在宇航和電動汽車等領域,單位質量下,能量密度越高,越有助于減輕其負載重量,進而提高設備的性能。值得注意的是,在單位質量下,ABS材料的可釋放能量密度約為6.3 J/g,明顯高于其他已報到高溫儲能電介質。此外,出色的熱穩定性和循環可靠性,在105個循環下,可釋放能量密度和效率在室溫和90℃高溫下保持不變,證明ABS聚合物在高溫下高功率儲能電容器方面具有廣闊的應用前景。這項工作為聚合物薄膜電容器的高溫儲能提供了新的思路和材料。


    圖 5室溫和90℃下,ABS儲能密度與效率的循環特性


      該研究工作受浙江省科技廳的重點研發計劃項目、澳大利亞伍倫貢大學澳大利亞先進材料研究院和廣東邁特斐薄膜科技有限公司的支持。


      原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03540h/unauth#!divAbstract

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