美国凯斯西储大学祝磊教授课题组在耐高温、高储能和低损耗多层聚合物电容器薄膜研究上取得新进展

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电能，作为一种清洁再生能源，为取代逐渐匮乏的化石燃料能源，已经越来越被广泛的使用到交通运输领域。而聚合物薄膜电容是制造电车和高铁电力能源器件的重要组成部分。因为双轴拉伸PP （BOPP）薄膜拥有低介电损耗，高击穿强度，以及长使用寿命，现在市场上主要使用的是它作为聚合物电容的介电薄膜材料。但是，其高温性能有待提高，介电常数以及储能密度比较低，因此如何开发出新型耐高温，高储能密度以及同时低损耗的聚合物薄膜仍然需要进一步进行研究。

美国凯斯西储大学大分子科学与工程学院的祝磊教授课题组一直致力于运用多层膜共挤出技术来制造出耐高温、高储能和低损耗的多层聚合物电容器薄膜。这一技术的一大优点在于可以结合多种聚合物材料的优点，而不仅限于单一材料。同时，薄膜的层数，层厚度以及组分都可以调节，以达到最好的介电和绝缘性能。近期，该团队基于这一技术挤出了一系列不同厚度和组分的256层高温聚碳酸酯（HTPC）和聚偏氟乙烯（PVDF）多层薄膜。其中PVDF单层厚度从23nm到195nm 不等。同时，为了改变PVDF的晶体取向以得到更好的介电性能，课题组对薄膜做了重结晶热处理。

表1. 未经过处理和重结晶处理的 HTPC/PVDF多层膜组分、厚度以及热性能

通过广角和小角X射线散射表征手段，课题组研究得到了如图1所示的PVDF晶体结构。在未经处理的多层膜中，PVDF初级晶体成竖直取向，这使得在电场作用下，PVDF层中的杂质离子可以自由在晶体间的无定形区移动，而杂质离子的运动会造成较高的介电损耗。经过热处理的多层膜（B）和（C），PVDF初级晶体或次级晶体重成水平取向，由于晶体可以阻挡杂质离子运动，所以离子运动所造成的损耗降低。如果单层PVDF的厚度在23-39nm之间，由于空间的限制，PVDF重结晶后会形成水平取向的初级晶体。而如果单层PVDF的厚度大于80nm，PVDF重结晶以后还是会形成和重结晶之前一样的竖直取向的初级晶体。但有趣的是，水平取向的次级晶体会在竖直取向的初级晶体间隔中形成。

图1. 限制在相邻HTPC层之间初级和次级PVDF晶体的示意图，（A）未经处理的多层膜；PVDF层厚度在（B）23-39 nm 和 （C）大于80 nm的经过熔融重结晶的多层膜。

利用频率介电松弛谱，课题组发现在重结晶过后，低频率下的离子运动损耗降低至原来的三分之一。课题组还通过漏电电流测试得到了多层膜的直流电导率。因为重结晶处理过的多层膜有水平取向的晶体，可以有效阻止漏电电流的通过因而降低电导率。

为了进一步探寻重结晶多层膜的绝缘性能，课题组还测试对比了经过重结晶前后的多层膜使用寿命。该测试通过对膜施加一个恒定的350MV/m的直流电压，来记录在11个小时中多层膜被击穿的次数（图2）。通过该测试发现重结晶后的多层膜的抗击穿能力怎强，击穿次数减少，所以在使用寿命方面的表现得到改善。同样是因为PVDF晶体的水平取向对电流有阻挡作用，加强了重结晶后多层膜的绝缘性能。

图2. 在100 C, 350 MV/m直流电压下的（A,B）未处理和（C,D）重结晶后的多层膜的击穿次数随时间分布的直方统计图。其中，单层PVDF厚度分别是 （A, C） 39 nm 和 （B, D） 125 nm。

以上论文研究成果发表在国际期刊顶尖杂志《ACS Applied Materials and Interfaces》上，论文第一作者是美国凯斯西储大学大分子科学与工程学院的博士陈欣月，通讯作者为祝磊教授。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c15457

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