高场强下高储能密度全有机复合电介质薄膜研究

At present, the main problem of high energy density of flexible capacitors is how to obtain a high dielectric constant, low loss, high breakdown voltage of dielectric polymer material.And the common ferroelectric polymer film will show obvious electric hysteresis at low fields, resulting in lower energy density and power density.The current various methods of organic/inorganic composite can improve the dielectric constant of polymer, but also lead to increase of loss,reduction of breakdown field and flexibility. How to make the dielectric film has higher dielectric strength, in turn, has a higher energy storage density, we need to find out the dielectric response, charge distribution and transport properties, inhibition of basic problems at high field.In order to avoid weaknesses of organic/inorganic composite and use the previous good resluts found in the new dielectric materials with high field strength low loss, this project intends to carry out the study of polyethylene/poly(vinylidene fluoride thiourea) full organic composite film, explore the determinants of conductive loss at high field and dielectric strength, reveal the breakdown mechanism and response mechanism, which will be a good reference to the preparation of the new high-energy density polymer materials and application of dielectric super-capacitors.

目前，高储能密度的柔性电容器的主要问题是如何获得高介电常数、低损耗、高击穿场强的聚合物电介质材料。而常见的铁电聚合物薄膜较低场下就会表现出明显的电滞现象进而导致能量密度和功率密度的降低。当前的各种有机/无机复合改性等方法虽然提高了聚合物的介电常数，但也导致了介电损耗增加、击穿场强大大降低、聚合物本身柔顺性被破坏等问题。如何使介质薄膜具有更高的介电强度进而具有更高的储能密度，则需要弄清高场下的介电响应、电荷分布及输运特性、电导损耗抑制等基础问题。为了避免有机/无机复合改性带来的缺点，结合前期工作中发现的具有超高场强超低损耗的新型电介质材料的结果，本项目拟开展聚偏氟乙烯/聚硫脲全有机复合薄膜的制备与介电性能研究，探讨高场下电导损耗和介电强度的决定因素及其相互的关联，揭示高场下的介电响应机制和击穿机制，为探索开发性能优异新型高能密度材料及电介质电容器奠定基础。

如何在保持聚合物优异特性的同时极大地提高聚合物的储能密度是当前电介质储能材料研究的一个重要课题。通过项目实施，利用复合少量PTU分子、外场驱动相变、表面修饰、三明治结构优化设计等手段获得了适用于超级电容器的PVDF基复合薄膜材料。本项目通过引入PTU促使PVDF/PTU复合薄膜β相含量升高以及晶粒尺寸减小进而提高复合薄膜材料的电容性能，PVDF/PTU薄膜的储能密度在其最大击穿场强700MV/m时达11 J/cm3；利用高场作用下PVDF/PTU复合薄膜发生了由非晶相向极性β相转变的不可逆相变，对应极化曲线斜率变小的特性，极大地降低了充放电过程中的能量损耗；针对三明治结构复合材料，通过调节单层特性，实现了介电性能和击穿强度及储能性能的提升，在400 MV/m的电场下有13.7J/cm3的放电能量密度；通过设计竖直取向纳米阵列与平面内随机排布纳米线的层状薄膜结构，复合材料的击穿场强可以达到500 MV/m，最大放电能量密度为16.13 J/cm3，能量效率稳定在77.37%以上。在性能改进的基础上，进行了聚合物复合体系微观结构形成的物理本质和微结构的调控机制、高场下的介电响应以及损耗的影响因素的研究，为开发新型高能量密度聚合物材料提供了新的方法，为电介质材料的应用提供了实际加工的可行性制备技术。