電介質(zhì)電容器由于充放電速度快，功率密度高等優(yōu)點在微電子、生物醫(yī)療、混合動力汽車、大功率換能器、高壓輸電系統(tǒng)和軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，極化強度和擊穿場強之間的矛盾導(dǎo)致了電介質(zhì)材料較低的儲能密度并且限制了電子器件集成化、微型化的發(fā)展趨勢。如何平衡極化和擊穿場強之間的矛盾，對于獲得優(yōu)異的儲能性能具有重要意義。
近日，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授團隊提出了一種不依賴高極性基團來改善電介質(zhì)儲能密度的方法。作者將少量具有p-π共軛結(jié)構(gòu)的N-乙烯基咔唑(VK)單元作為電荷陷阱通過共聚的方式引入到聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)主鏈中。在高電場下，具有高HOMO能級和高電子親和能的VK單元作為陷阱中心可以有效捕獲材料中的自由電荷和空穴。同時VK單元作為陷阱有望通過碰撞、散射和捕獲來降低載流子的能量，從而抑制二次碰撞電離的形成，避免雪崩擊穿導(dǎo)致的電介質(zhì)早期失效。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)VK單元的含量為3.6mol%時P(MMA-VK)的介電儲能性能最佳。在750 MV/m電場時，樣品的可釋放能量密度達到15.7 J/cm3（η=88%），且樣品經(jīng)過104循環(huán)后表現(xiàn)出良好的抗疲勞特性。通過熱刺激去極化電流(TSDC)、脈沖電聲法(PEA) 和密度泛函理論(DFT)的綜合測試計算發(fā)現(xiàn)P(MMA-VK)優(yōu)異的介電儲能性能主要是通過VK單元的載流子捕獲效應(yīng)實現(xiàn)的。這項工作為同時實現(xiàn)高放電能量密度和高放電效率的全有機聚合物電介質(zhì)的制備提供了新策略。
圖1. （a）和（b）BOPP和P(MMA-VK)-2在室溫和100oC環(huán)境下的電滯回線；（c）和（d）BOPP和P(MMA-VK)-2在室溫和100oC環(huán)境下的可釋放能量密度和釋放效率；（e）BOPP、PMMA和P(MMA-VK)-2在室溫和100oC環(huán)境下的功率密度；（f）PMMA在400 MV/m和P(MMA-VK)-2在600 MV/m電場時的耐疲勞特性。
通過BOPP和P(MMA-VK)-2在室溫和高溫環(huán)境下的電滯回線（圖1（a）和（b））計算材料的儲能密度，P(MMA-VK)-2的在室溫下的可釋放能量密度可以達到15.7 J/cm3且可釋放效率保持在88%以上，在同電場下相較于商用的BOPP提高了2倍。此外，P(MMA-VK)-2在室溫和高溫環(huán)境下具有穩(wěn)定的功率密度且高于PMMA和商用BOPP（圖1（e））。圖1（f）為材料的電場疲勞測試，證明了制備的材料具有良好的抗疲勞特性。
圖2. (a)和(b) PMMA和P(MMA-VK)-2的熱刺激去極化電流；(c)和(d) PMMA和P(MMA-VK)-2在+25 MV/m電壓下的空間電荷分布；(e)和(f) PMMA和P(MMA-VK)-2在去除+25 MV/m后的空間電荷分布。
TSDC和PEA測試結(jié)果證明P(MMA-VK)系列聚合物儲能性能的提高主要源于材料中咔唑環(huán)的載流子捕獲效應(yīng)。P(MMA-VK)-2的去極化電流遠高于PMMA主要是由于高溫環(huán)境下空間電荷脫陷導(dǎo)致的，說明P(MMA-VK)-2中存在電荷陷阱（圖2（a）和（b））。通過P(MMA-VK)-2和PMMA在25 MV/m電場下和去掉電場時的空間電荷分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，在PMMA中引入咔唑單元可以有效地阻礙電極電荷注入，并提供陷阱位點捕獲空間電荷，從而協(xié)同提高P(MMA-VK)的擊穿強度。
圖3. (a) P(MMA-VK)中空間電荷捕獲機理示意圖；(b) PMMA和P(MMA-VK)的分子軌道能級分布圖。
為了深入理解咔唑單元對載流子傳輸和捕獲的影響，作者基于密度泛函理論計算了PMMA和P(MMA-VK)的分子軌道能級和電荷分布。圖3顯示存在咔唑環(huán)的局域分子鏈其HOMO能級高于PMMA且LUMO能級也較純PMMA低，說明P(MMA-VK)比PMMA具有更強的空穴和電子捕獲能力。另一方面，P(MMA-VK)的禁帶寬度高達4.73 eV，完全滿足文獻中提出的高擊穿強度的要求。
圖4.聚合物基電介質(zhì)的儲能性能對比.
相關(guān)研究成果以“High Energy Storage Density and Low Energy Loss Inspired by Inserting Charge Traps in all Organic Dielectric Materials”為題發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》。西安交通大學(xué)張志成教授、魏曉勇教授為論文的通訊作者，西安交通大學(xué)博士研究生張美榮為論文第一作者。感謝國家自然科學(xué)基金（No. 92066204, 92166205, 52073225, 52003214）、陜煤聯(lián)合基金（No. 2019JLM-31）對本文的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA03884F
課題組相關(guān)研究：http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang
課題組長期招收電介質(zhì)儲能、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料等方向的碩士、博士研究生。
