具有优异高温储能性能的高介电常数聚酰亚胺共聚物

以下文章来源于研精究微 ，作者研精究微

研究背景

聚合物薄膜电容器具有兆瓦级的功率密度和优异的强电场耐久性，广泛应用于先进的电力系统，如电磁炮、柔性直流输电系统、混合动力汽车和航空航天电力电子设备。随着设备和器件向小型化、轻量化和极端工作环境发展，迫切需要在高温下具有优异储能密度的聚合物电介质材料。电介质的储能密度（Ue）主要由击穿强度（Eb）和介电常数（εr）决定。通常情况下，聚合物电介质的本征击穿场强与其带隙（Eg）正相关，介电常数与其分子结构的极化程度密切相关，工作温度由玻璃化转变温度（Tg）决定。例如，商用双轴拉伸聚丙烯（BOPP）由脂肪族骨架组成，其Eg值超过5.0 eV，但由于介电极化率弱且工作温度低（<105 oC），严重限制了BOPP的高温储能性能。相比较而言，聚酰亚胺（PI）和聚醚酰亚胺（PEI）等芳香族聚合物具有较高的Tg（>210 oC），但其共轭平面段的强π-π堆叠效应牺牲了Eg (<3.2 eV)，致使其高温储能性能显著下降。因此，迫切需要开发一种兼具高εr和Ue，同时在高温下仍保持低损耗的柔性全有机高温聚合物电介质材料。

成果简介

近日，南方科技大学汪宏教授团队提出了一种分子工程策略来提高聚合物电介质的高温储能性能。首先，利用一系列含极性基团（-O-、-C (=O)-和-SO2-）的商用单体来调控PI薄膜的介电性能、Tg和Eg，筛选出兼具高εr（4.2；RT, 1 kHz）、宽Eg（3.4 eV）和高Tg（311.2 oC）的含砜基PI薄膜（SO-PI）。在此基础上，设计并合成了含脂环结构的SO-PI共聚物，在200 oC和485 MV m-1下具有4.3 J cm-3的储能密度，充放电效率可达90%。并且，该共聚物在200℃和400 MV m-1下能提供3.04J cm-3的储能密度和95%的储能效率，并可连续循环50000次。计算结果表明，共聚物骨架中的极性-SO2-基团、柔性-O-键和脂环结构的结合使分子链的偶极取向和骨架的节段运动解耦，降低了芳香基团的共轭效应，从而使极化弛豫损耗和电导损耗最小化，同时保持了优异的热稳定性和高介电常数。相关成果以" Scalable High-Permittivity Polyimide Copolymer with Ultrahigh High-Temperature Capacitive Performance Enabled by Molecular Engineering "为题发表在《Advanced Energy Materials》上（https://doi.org/10.1002/aenm.202303732）。论文第一作者为南方科技大学化学系博士后董久锋，材料系博士后李立为论文的共同一作，通讯作者为南方科技大学汪宏教授和宾夕法尼亚州立大学王庆教授。该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、国家重点研发计划、中国博士后面上基金等项目的支持。

图文介绍

图1 高温高储能密度聚合物的设计标准和相互约束关系图

图2 筛选的高介电常数PI薄膜的介电性能

图3 共聚物薄膜的合成、静电势分布、漏电流、热刺激去极化电流和击穿场强

图4 共聚物薄膜的介电性能和高温储能特性

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202303732

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