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  近日，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院智能傳感器和微系統(tǒng)教育部工程中心汶飛博士在Journal of Materials Chemistry A (影響因子：11.301)上發(fā)表題為 “A high-temperature dielectric polymer Poly(acrylonitrile butadiene styrene) with enhanced energy density and efficiency due to a cyano group”的研究論文(DOI: 10.1039/D0TA03540H)。其中，麻省理工學(xué)院張麟博士(Research Scientist)為共同第一作者，通訊作者是伍倫貢大學(xué)張樹君教授和李麗麗博士。

  作為電力、電氣及電子信息系統(tǒng)中最重要的電子元器件之一，薄膜電容器被廣泛應(yīng)用于電路中實(shí)現(xiàn)隔直通交、耦合、旁路、濾波、能量轉(zhuǎn)換及控制等功能。與電池、電化學(xué)電容器等相比，薄膜電容器具有使用電場(chǎng)強(qiáng)度高、電能釋放速度快、功率密度高等特點(diǎn)，尤其適用于需要在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量電能的放電電容器。高溫薄膜電容器已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如混合動(dòng)力汽車，智能電網(wǎng)和脈沖電源中的儲(chǔ)能組件。目前，商用雙向拉伸的聚丙烯(BOPP)制成的薄膜電容器具有高能量效率，但是，較低的介電常數(shù)使其儲(chǔ)存電能密度相對(duì)較低，已經(jīng)難以滿足這些系統(tǒng)對(duì)高能量密度的需求。近年來(lái)，科學(xué)家通過(guò)改性極性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,將PVDF基聚合物的大幅能量密度大幅度提高，達(dá)到17 J/cm³。然而，在實(shí)際使用中不僅需要優(yōu)越的電性能，還要具有優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性。如在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，薄膜電容器的工作區(qū)域溫度在70~90℃之間，這不僅要求電介質(zhì)材料具有較高的介電常數(shù)、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度等，還要在使用溫度下具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖1 電容器的應(yīng)用領(lǐng)域和本文中的ABS儲(chǔ)能密度

  在本論文中，選取通用的工程塑料——聚（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）（ABS）聚合物作為研究對(duì)象，這是由于它具有這些優(yōu)勢(shì)：1），具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（大于120℃），有助于獲得優(yōu)異的高溫性能；2）它的分子結(jié)構(gòu)中擁有極性基團(tuán)——氰基（來(lái)自丙烯腈），有助于獲得較高的極化值，進(jìn)而獲得高能量密度；3）它的結(jié)構(gòu)中的另一主要組成部分苯乙烯（PS）是一種高效率的線性基團(tuán)。這些特征有助于該材料獲得高溫下，高能量密度和高效率的性能。

圖2 ABS分子結(jié)構(gòu)

  本文中通過(guò)流延法制備了聚ABS聚合物薄膜，通過(guò)熱重分析（TGA）分析，ABS材料在300℃下可以穩(wěn)定存在；在進(jìn)一步熱分析和溫譜測(cè)試下，ABS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于120℃；此外，介電常數(shù)和損耗在120℃保持常數(shù)，說(shuō)明該材料可以在120℃高溫下作為儲(chǔ)能電介質(zhì)材料。通過(guò)P-E loop 和儲(chǔ)能測(cè)試，在525 MV/m和室溫下，獲得可釋放能量密度約為7.3 J/cm³。

圖3 室溫下，BOPP，PS和ABS儲(chǔ)能密度與效率

  特別重要的是，在溫度從室溫~120℃測(cè)試中，ABS薄膜在可釋放密度和效率方面保持良好的穩(wěn)定性。在120℃的溫度測(cè)試下，ABS薄膜獲得了可釋放能量密度高達(dá)6.7 J/cm³和效率達(dá)到75％。

圖 4變溫中，BOPP，PS和ABS儲(chǔ)能密度與效率，以及在120℃下ABS的儲(chǔ)能特性和P-E loop

  眾所周知，電子元件的小型輕量化是非常重要的，特別是在宇航和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，單位質(zhì)量下，能量密度越高，越有助于減輕其負(fù)載重量，進(jìn)而提高設(shè)備的性能。值得注意的是，在單位質(zhì)量下，ABS材料的可釋放能量密度約為6.3 J/g，明顯高于其他已報(bào)到高溫儲(chǔ)能電介質(zhì)。此外，出色的熱穩(wěn)定性和循環(huán)可靠性，在10⁵個(gè)循環(huán)下，可釋放能量密度和效率在室溫和90℃高溫下保持不變，證明ABS聚合物在高溫下高功率儲(chǔ)能電容器方面具有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作為聚合物薄膜電容器的高溫儲(chǔ)能提供了新的思路和材料。

圖 5室溫和90℃下，ABS儲(chǔ)能密度與效率的循環(huán)特性

  該研究工作受浙江省科技廳的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、澳大利亞伍倫貢大學(xué)澳大利亞先進(jìn)材料研究院和廣東邁特斐薄膜科技有限公司的支持。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03540h/unauth#!divAbstract