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℃,很多場景下(以新能源混合動力汽車為例,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,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與安徽銅峰電子公司研究團(tuán)隊發(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,可降低高場、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)度下的儲能密度達(dá)到10.4 J/cm3,比原始BOPP提高了108%,且儲能效率高達(dá)97.3%,優(yōu)于目前的商用聚合物電容膜、已報道的全有機(jī)聚合物和PP基復(fù)合材料。而且在600 MV/m高電場條件下經(jīng)歷20000次循環(huán)充放電測試,儲能密度依然穩(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在擊穿場強(qiáng)770 MV/m條件下的儲能密度達(dá)到5.88 J/cm3,效率為90%,儲能密度相對于原始BOPP提高了97% (2.98 J/cm3,對應(yīng)的擊穿場強(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。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等的資助。
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
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