金屬化薄膜電容器因其超高的功率密度、極短的充放電時間、易加工和高可靠性等優(yōu)勢在可再生能源的轉(zhuǎn)換與存儲、脈沖功率器件和電力推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域備受關(guān)注。商用電容薄膜雙向拉伸聚丙烯（BOPP）僅能在105 °C以下正常工作，無法滿足新能源汽車、可再生能源并網(wǎng)、地下資源開采、先進(jìn)電磁能裝備等領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展耐高溫介電儲能電容器的需求（200 ℃）。目前已有的耐高溫介電高分子中存在大量共軛結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)和分子間強(qiáng)烈的電荷轉(zhuǎn)移（CT）相互作用使其在高溫和高電場下的電導(dǎo)損耗呈指數(shù)級上升，導(dǎo)致器件過熱損壞。此外，傳統(tǒng)耐高溫分子骨架中的高碳含量和豐富的芳香環(huán)犧牲了其自愈特性。
針對上述問題，北京科技大學(xué)查俊偉教授團(tuán)隊(duì)通過一種重新設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)單元的策略，設(shè)計(jì)了一種兼具高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（256 ℃）和寬帶隙（4.58 eV）的脂環(huán)聚酰亞胺（PI），在高電場和高溫條件下，其電導(dǎo)率比傳統(tǒng)PI低一個數(shù)量級以上。在200 ℃下，脂環(huán)PI的放電能量密度達(dá)到 4.54 J cm-3且充放電效率保持在90%以上，高于商業(yè)BOPP電容膜在室溫下的放電能量密度。此外，脂環(huán)PI的熱解殘?zhí)柯实停谒拇坞姄舸┭h(huán)后仍能保持 93% 的介電擊穿強(qiáng)度。該研究首次提出了基于氣相和凝聚相雙重自愈機(jī)制來探索高溫PI電介質(zhì)的自愈能力。脂環(huán)PI在高溫下的高能量密度和卓越的自愈能力進(jìn)一步表明了PI電介質(zhì)薄膜電容器在極端條件下的應(yīng)用前景。
圖1. 聚酰亞胺電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2. 電導(dǎo)和介電擊穿性能及機(jī)理分析
圖3. 聚酰亞胺電介質(zhì)多重自愈能力評估
圖4. 氣相和凝聚相雙重自愈機(jī)制
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202410927
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