《AS》静电电容器用高分子电介质的研究进展

科技 08-21 来源：高分子能源

聚合物电介质因其具有机械柔韧性、耐腐蚀性、易于加工、重量轻、可靠性高和工作电压高等优点而在电能存储方面引起了越来越多的关注。然而，大多数介电聚合物的介电常数小于 10，这导致能量密度低，并限制了它们在先进电子和电力系统的静电电容器中的应用。因此，人们在开发高能量密度的聚合物电介质方面投入了大量精力。从这个角度，总结了全有机聚合物电介质的最新成果，包括分子结构设计、聚合物共混物和层状结构聚合物。

图文简介

a) 增加关于“介电聚合物”、“能量密度”和“全有机”的年度参考出版物；最先进的 b) 介电常数和击穿强度，c) 各种介电聚合物的能量密度和能量效率。

介电电容器的新兴应用

具有改进性能的聚合物电介质的策略

介质电容器以其高功率密度、稳定性和长寿命而著称，在许多应用中具有广阔的前景。然而，介质电容器的最大缺点之一是放电能量密度（U d）低，这限制了在电子电气设备中的小型化和智能化应用。近年来，全有机薄膜电介质因其击穿强度高、能量密度高、柔韧性好、可量产等优点而受到广泛关注。综述总结了全有机薄膜电介质的发展战略，包括分子结构设计的介电聚合物、介电聚合物共混物和层状结构的介电聚合物。基于该综述，可以强调三个方面的未来关于具有优异介电性能和储能的全有机聚合物介电薄膜的研究途径：

3.1 含极性基团的介电聚合物分子结构设计

对于分子结构的设计，可以在聚合物的主链中引入具有高偶极矩的极性基团（如脲、硫脲、酰亚胺、砜等），通过取向提高聚合物电介质的介电常数极化。但主链上的一些偶极极性基团不易旋转，会导致介电损耗过大，介电常数偏低。因此，建议在聚合物侧链中加入羟基、离子基、砜基、氰基、噻吩基等极性基团，大大提高介电常数，降低损耗。此外，极群的偶极矩越高，群的体积越小，越容易自转，可以更有效地提高材料的储能性能。此外，聚合物PVDF的介电性能可以通过接枝、嵌段、共聚等化学改性方法改变晶体结构、晶体尺寸、结晶度、晶域来调节。

3.2 聚合物混合电介质

通过选择有机聚合物填料的功能，共混是调节聚合物基体结构和性能的好方法。通过改善聚合物的界面相容性，在聚合物共混物中实现了主要的机械性能和储能性能。尤其是偶极玻璃态聚合物的优势更加明显，因为高玻璃化转变温度可以降低整个聚合物共混物的电子和离子传导损失。

3.3 层状结构聚合物电介质

构建包含高介电常数的极化聚合物层和高击穿强度和低损耗的绝缘聚合物层的夹层结构，聚合物薄膜可以承受高电压。此外，抑制了电树从材料内部的延伸，从而提高了材料的击穿强度和介电常数。更重要的是，可以通过改变复合材料的层数、层厚或其他因素来获得所需的介电性能。

电容器的能量密度和能效需要进一步提高，使介质电容器能够扩大应用范围。另一方面，充放电效率的提高也可以节约资源，避免能源浪费。此外，电容器的温度稳定性、频率稳定性、循环次数等问题亟待解决，以便在极端环境下使用。

总之，电容器的应用研究探索还有很长的路要走。薄膜电容器的发展趋势包括以下几个方向：

3.3.1 高介电常数和高能量密度

商用BOPP和BOPET基薄膜电容器的U d低于3-5 J cm-3，难以满足电子器件小型化、轻量化的迫切需求。以基于 BOPP 的电容器为例，当电容器尺寸为 700 mm × 220 mm × 515 mm 时，重量将达到 120 kg。如果介电膜的介电常数增加一倍，在相同的外加电场下，重量和体积都可以增加≈40%。挑战在于解决介电常数和击穿电场之间的反比关系。

3.3.2 超薄电介质与小型化器件

降低介质薄膜的厚度是为了增强聚合物介质的击穿电场，这对于提高电容能量密度和满足大幅增加大容量薄膜电容器的需求是非常有意义的。然而，超薄介电薄膜对加工工艺的要求非常高，指的是内部缺陷增多，容易损坏。在工业上，电介质膜的极限厚度可以达到≈2 µm，而在实验室中则> 5 µm。

3.3.3 承受高温等极端环境

传统的薄膜电容不能长时间在高温高湿的环境下工作。薄膜电容器的合适工作温度和平均湿度分别为 -40–35 °C 和 <70%。然而，在许多应用场景中，环境条件恶劣，包括高温、高压、高湿等。例如，为了确保电动汽车的稳定运行，需要冷却系统，因为温度发动机超过 140°C，而直流电容器的极端温度为 85°C。