電機系首次研製成功200攝氏度高效介電儲能薄膜

2020-12-05 清華大學新聞網

清華新聞網8月10日電 8月6日，電機系李琦副教授、何金良教授等在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上發表了題為「基於聚合物-分子半導體全有機複合材料的高溫電容薄膜」（Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage）的研究論文，首次研製出200攝氏度高效介電儲能的全有機複合薄膜。這類全有機複合介電材料在200攝氏度高溫條件下的介電儲能性能不僅遠超過目前最好的高溫聚合物及聚合物納米複合介電材料，並接近商業化聚合物電容薄膜室溫下性能；在大幅提升高溫介電儲能特性的同時還實現了大面積、性能均勻的薄膜製備，為實現薄膜電容器在200攝氏度嚴酷溫度環境下應用提供了可能。

聚合物薄膜電容器具有介電強度高、能量損耗低以及自愈性好等優點，在全球工業電容器市場佔有率超過其它類型電容產品。然而，聚合物介電材料的絕緣性能對溫度極其敏感，在高溫、高電場作用下洩漏電流呈指數上升、放電效率急劇下降，最終造成電容器過熱損壞。目前主流商業薄膜電容器僅在105攝氏度以下工作，長期工作溫度低於70攝氏度。另一方面，隨著電子器件和電力、能源設備功率不斷增大以及對小型化和緊湊型功率模塊的持續追求，電子材料的工作溫度要求快速提高，薄膜電容器介電材料已成為高溫電子器件和設備的技術瓶頸。

a：聚合物-分子半導體複合體系能級與電荷轉移示意圖  b：分子半導體靜電勢分布  c： 電極/聚合物界面表面電勢分布 

該論文採用了一種與前期方法截然不同的技術路線——利用有機光伏中電子受體材料的強得電子能力，實現了在高溫聚合物中構築深電荷陷阱。這種有機分子半導體型的電子受體材料具有極高的電子親和能，被廣泛應用於有機光伏中激子在異質結界面高效分離。它們可通過其表面靜電勢分布的極不均勻特性，對自由電子產生強束縛作用。通過向耐熱聚合物中摻雜極少量高電子親和能有機分子半導體製備了全有機複合高溫介電材料。這類材料在200攝氏度和200kV/mm電場條件下，電阻率比高溫聚合物提升兩個數量級以上；200攝氏度、放電效率90%以上的能量密度是目前最好的聚合物高溫介電材料的2.3倍。此外，全有機複合體系解決了傳統有機-無機複合體系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等問題，在薄膜品質和規模化製備等方面具有顯著優勢。

a：聚合物-分子半導體全有機複合介電薄膜  b：全有機複合介電材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高溫儲能特性遠優於傳統高溫介電聚合物（PEI）  c：高溫高場下全有機複合介電薄膜長期工作循環性能

論文第一作者為清華大學電機系博士後袁超，通訊作者為電機系李琦副教授和何金良教授。該研究得到了國家自然科學基金優秀青年基金和創新研究群體項目的資助。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17760-x

供稿：電機系

編輯：李晨暉

審核：程曦

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