西安交大：超高储能密度！一种高温柔性纳米复合材料

由于其固有的快速充放电速率和高可靠性，介质电容器一直是现代电子和大功率系统的关键部件。与其他储能系统、燃料电池、电池等相比，介质电容器通常具有相对较低的能量密度。下一代汽车和其他大功率系统迫切需要能够在高温下工作的电容器。以电动汽车为例，逆变器可以将电池的直流电(DC)转换成所需频率的交流电(AC)，以便更好地控制电机。由于它们靠近发动机，对功率功能的要求不断提高，这要求电容器(功率逆变器的基本组件)的工作温度至少为140℃。与聚合物相比，介质陶瓷似乎具有更好的高温性能。然而，大多数介质陶瓷都存在击穿强度低、断裂韧性低等问题。高温性能对用于环境、电子和大功率应用的介质聚合物电容器至关重要。

来自西安交通大学的学者报道了一种由聚酰亚胺(PI)介电聚合物与高绝缘氧化镁(MgO)纳米填料混合而成的复合材料，其具有高击穿强度、宽温度范围和低介电损耗。然而，大多数介电聚合物在室温下具有良好的储能性能，不能在100℃以上的高温下使用。本文通过原位聚合制备的聚酰亚胺介电纳米复合材料由容易制备的氧化镁填料组成，具有不同的形貌，如纳米颗粒(0D)、纳米线(1D)和纳米片(2D)。实验结果表明，聚合物复合材料的绝缘性能和击穿强度与氧化镁的形态密切相关，有限元模拟结果进一步证明了这一结论的合理性。含有超低含量(0.5vol%)氧化镁纳米片的聚合物复合材料具有超高的电容性能，即在150℃时的放电能量密度为4.78 J.cm⁻³，明显优于已报道的介电聚合物和纳米复合材料。相关文章以“High-Temperature Flexible Nanocomposites with Ultra-High Energy Storage Density by nanostructured MgO fillers”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202204155

图1.材料准备。aa)聚酰亚胺基聚合物纳米复合材料的制备示意图。b)PI/MgO-NPLs薄膜的照片，其体积分数为0.5vol%。

图 2.介电稳定性。a） 随着MgO含量的变化，复合材料在25℃和10 kHz下的介电常数和介电损耗。b） 在 1 kHz 下测得的含有 0.75 vol% MgO 的 PI 和 PI/MgO 复合材料的温度相关介电常数和损耗。

图 3.击穿强度和直流电阻率。a)PI/MgO纳米复合薄膜在150℃下的击穿强度。b）在50 MV m⁻¹和150 ℃时，具有MgO的纳米复合材料的直流电阻率。c） 在410 MV m⁻¹时，通过无限元模拟，在MgO含量为MgO的PI纳米复合材料中击穿路径演化的最终稳定状态。

图 4.电能存储能力。PI/MgO-NPs （a）、PI/MgO-NWs（b）和PI/MgO-NPL（c）在10 Hz和150℃下测得的放电能量密度和充放电效率。

综上所述，本文成功地证明了在PI聚合物基质中加入少量具有纳米片状结构的氧化镁可以引入深层阱，从而显著提高材料的电阻率，特别是在高场强和高温情况下。氧化镁具有带隙宽、介电常数高的特点，使复合材料具有高U_d、大η、显著E_b、高场强、高温介电稳定性好等综合优势。此外，纳米粒子、纳米粒子和纳米粒子的形态和结构也被特定地用于进一步改善高温电容器聚合物复合材料的性能。与介电聚合物和c-BCB/BNNS复合材料相比，MgO NPLs具有优异的温度电容性能。此外，超低体积含量的氧化镁纳米粒子(0.5vol%)的聚酰亚胺复合材料具有更大的可伸缩性。这种简单的方法揭示了可伸缩高性能高温介电聚合物复合材料的合理设计，证明了介电聚合物材料在极端环境下的电力电子和电气系统中的实际应用潜力。（文：SSC）