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中国科大李晓光教授团队《AM》:共聚物纳米复合材料实现耐高温介电储能,中国化工网,okmart.com
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中国科大李晓光教授团队《AM》:共聚物纳米复合材料实现耐高温介电储能
2021年12月21日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

电介质电容器由于其超高的功率密度(104~108 W kg-1),是医疗除颤器、工业激光器、电磁炮高能武器系统等脉冲功率应用的关键部件,尤其是随着新能源的发展,在光伏/风力发电机并网、新能源电动汽车等领域展现了广阔的应用前景。其中,成本低、易加工、耐高电压的聚合物薄膜是目前广泛应用的电容器电介质材料。然而,由于聚合物薄膜热稳定性差,难以直接在高温高电场环境下工作中国化工网okmart.com。因此,工业界通过引入冷却系统,降低电容器工作环境温度。以混合动力汽车换能器中的电容器为例,为使目前商用的双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜材料正常工作,需要冷却系统将工作环境温度从高达150 °C降至80 °C以下,这不可避免地增加了动力系统的质量和体积,降低能源使用效率。针对这一难题,需要实现在高温实际工作环境下具有高储能密度和效率(超越BOPP在室温下的性能),并且可以长期稳定工作的电介质材料。鉴于此,中国科学技术大学李晓光教授、殷月伟教授团队在高温介电储能材料合成及相关机理等方面进行了深入的实验和理论模拟,并取得进展。

研究者通过控制热化学反应动力学获得聚酰亚胺(PI)-聚酰胺酸(PAA)共聚物,并设计添加极少量氮化硼纳米片(BNNS),得到了具有优异高温储能性能的复合材料0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS。在混合电动汽车中电容器的实际工作条件下(150 °C,200 MV m-1),其储能密度达到1.38 J cm-3,效率高于96%,且在经历20000次循环充放电测试以及35天耐受性测试后储能性能依然稳定。该储能密度是BOPP薄膜电容器室温环境、相同场强下储能密度的3.5倍。此外,PI-PAA是生产PI过程中的中间产物,可轻易通过调整已大规模商用的PI薄膜的生产线得到,具有良好的可扩展性。由于PI-PAA制备温度低于PI,甚至有可能进一步降低生产成本。相关工作以“Scalable polyimide-poly(amic acid) copolymer based nanocomposites for high-temperature capacitive energy storage”为题发表在Advanced Materials上。

1、PI-PAA共聚物的合成及基于此的添加氮化硼纳米片的纳米复合材料的制备

通过控制热化学反应动力学获得一系列聚酰亚胺(PI)-聚酰胺酸(PAA)共聚物,其中0.87PI-0.13PAA共聚物储能性能最佳。另外,极少量氮化硼纳米片的添加可以获得高温储能性能优异的纳米复合材料。

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2、PI-PAA+BNNS纳米复合材料的介电性能的实验测量和理论模拟

极少量氮化硼纳米片的添加使复合材料的介电常数得到了很大提升。

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3、纳米复合材料的高温稳定性测试

所制备的0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS复合材料在高温高电场下具有良好的循环和耐受特性,在150 °C,200 MV m-1经历20000次循环充放电测试以及35天耐受性测试后储能性能依然稳定。

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4、工作条件下具有最高储能密度的纳米复合材料

在混合电动汽车中电容器的实际工作条件下(150 °C,200 MV m-1),其储能密度达到1.38 J cm-3,效率高于96%。该储能密度是目前高温储能用介电材料中最高的,并且达到了BOPP薄膜电容器室温环境、相同场强下储能密度的3.5倍

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中国科学技术大学物理学院和合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生戴智展、包志伟和丁崧为论文共同第一作者,李晓光教授和殷月伟教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、中国科学技术大学“双一流”人才团队平台项目的资助。


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