清華新聞網10月12日電 10月3日，清華大學電機系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發表了題為《一種顯著提高聚合物電介質高溫儲能特性的通用化、高通量、環境友好的製備方法》（A Scalable, High-Throughput and Environmentally Benign Approach to Polymer Dielectrics Exhibiting Significantly Improved Capacitive Performance at High Temperatures）的研究論文。該論文提出了一種可規模化的高溫聚合物電容器薄膜製備方法，可大幅提高聚合物電容器薄膜在高溫下的介電儲能特性，有望與現有聚合物電容器薄膜製備生產線相結合實現產業化，解決電容器在電力電子、航空航天和電動汽車電控系統中面臨的過熱損壞難題。
電介質電容器具有極快的充放電效率和超高的功率密度，是一類極其重要的功率型儲能器件，在電網調頻、電磁武器、電力電子變換器、新能源汽車以及脈衝功率系統中發揮著關鍵作用。然而以聚合物電介質材料為主體的薄膜電容器熱穩定性差，無法在高溫環境下穩定工作。尤其在高電場作用下，溫度升高會導致聚合物電介質內部洩漏電流呈指數上升趨勢，造成充放電效率及儲能密度急劇下降，無法滿足應用需求。更嚴重的是，洩漏電流轉變成焦耳熱，使電容器溫度持續上升，最終損壞。長期以來，國內外學者主要通過納米摻雜來提升電容薄膜的高溫介電儲能性能，但目前無法實現規模化製備及應用。工業界的解決方法是引入冷卻系統將工作環境溫度降至電介質材料最高使用溫度以下。例如，豐田普銳斯混合動力汽車電控系統使用冷卻系統將環境溫度從120-140攝氏度降至70-80攝氏度。然而，冷卻系統的存在無疑會增加動力系統的質量和體積，降低燃料使用效率。
高溫電容器聚合物電介質薄膜規模化處理的工藝方法示意圖
為解決上述問題，課題組提出採用等離子體增強化學氣相沉積技術在聚合物薄膜表面快速沉積具有寬能帶隙的納米絕緣層，以提高電極/介質界面處的電荷注入勢壘，從而抑制聚合物電介質薄膜在高溫下的洩漏電流，大幅提高了聚合物電介質薄膜在高溫、高電場下的儲能特性。該方法能夠實現在大氣壓條件下快速沉積，具備連續處理的能力；其室溫沉積特性使得該方法直接適用於任意聚合物介質薄膜。通過引入卷對卷薄膜加工技術和動態沉積，可實現規模化、連續化生產。該方法具有無汙染、簡便、高效、低成本等特點，並且可與現有聚合物電容器薄膜生產線相兼容。目前課題組已在該技術領域申請多項國內專利和PCT專利，並正與相關企業聯合進行產業化開發。
薄膜沉積區照片、電介質薄膜表面納米絕緣層斷面掃描電鏡圖和薄膜高溫介電儲能特性
近年來，李琦副教授專注於先進電介質材料的基礎研究和產業化開發，在材料結構設計和加工方法等領域取得了多項重要成果。相關工作發表在《自然》（Nature）、《美國科學院院刊》（PNAS）、《先進材料》（Advanced Materials）、《材料研究年度評述》（Annual Review of Materials Research）等期刊上。
該論文第一作者為清華大學電機系2014級博士生周垚，通訊作者為清華大學電機系李琦副教授、何金良教授以及美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授，合作者還包括清華大學電機系曾嶸教授、胡軍副教授及中科院電工研究所邵濤教授。該研究成果得到了國家自然基金面上項目和北京市自然基金的支持。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805672
供稿：電機系 編輯：華山 審核：襄楠