高储能聚合物电介质材料研究进展

储能薄膜电容器因其功率密度高、工作电压高、自愈特性好以及可靠性高的优势，被广泛应用于智能电网、电动汽车和电力调节中。但聚合物电介质材料偏低的储能密度和较大的介电损耗限制了储能薄膜电容器的轻量化、小型化以及可靠性发展。文章综述了基于优化复合电介质材料高储能密度和低介电损耗的最新研究进展，涉及复合电介质材料的结构特性、介电性能、电气强度以及储能机理，比较和分析了提高聚合物电介质材料储能特性的几种常用策略，包括多组分无机填料共填充、纳米表面改性、多层结构复合、分子结构设计、薄膜表面沉积涂覆等方法对其储能特性的提升规律与调控机制，最后对高储能聚合物电介质材料的现存问题以及未来发展方向进行了总结与展望。     

PMMA基高储能电介质材料研究进展

聚合物薄膜电容器因其超高的充放电效率而被广泛应用于许多领域，如高脉冲功率技术、航空航天技术和新能源汽车等。储能应用的聚合物电介质往往需要较高的能量密度和储能效率，目前薄膜电容器中商业化应用最为广泛的双轴拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜已不能满足日益增长的电能储存需求。在众多的聚合物电介质材料中，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）因其高击穿强度、低介质损耗和易加工等优点而受到广泛关注。本文综述了PMMA本征型和复合型电介质材料在储能领域的研究进展，重点对通过化学改性和物理改性提升聚合物储能电介质材料的能量密度和储能效率的方法进行了归纳整理，最后对电介质材料未来的发展方向进行了展望。     

本征耐高温电极化储能聚合物电介质研究进展

具有高能量密度、高耐热性和低介电损耗的介电聚合物是先进电力电子应用的理想材料，例如用于电容器的高温储能薄膜。由于高极化和低介电损耗是两个相互矛盾的性质，因而只能在高介电常数(ε_r)和较低的损耗之间争取最佳的平衡。对于本征型聚合物电介质，介电常数源于电子、原子和偶极极化。然而由于聚合物分子链的性质，碳氢基电介质的电子和原子极化的介电常数被限制在5以下，偶极极化提高固有介电常数是有效的。为此围绕实现本征偶极玻璃聚合物高介电常数获得高储能密度的同时降低介电损耗的设计策略展开，从主链和侧链角度分析冻结链动力学阻止电子传导降低介电损耗的可行性，同时从电子结构角度揭示抑制传导电流的机制，在保持高ε_r和高玻璃化转变温度(t_g)的同时实现高温下高的储能密度，最后对薄膜电容器用极性聚合物研发的难点和重点进行总结和展望。     

电容器级新型储能电介质的储电性能研究

在电容型储能脉冲功率电源中,脉冲电容器的储能密度直接影响脉冲功率电源和脉冲功率系统的小型化发展。目前,脉冲电容器的介质材料多采用双向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP),其储能密度很难进一步提升,因此需要研究新型电容储能材料,以提高电容器的储能密度。本文以电容器用储能电介质为研究对象,对聚合物基无机纳米复合电介质(PVDF/TiO₂)、聚合物基全有机复合电介质(PVDF/PP)和高偶极矩无定形聚合物(ArPU)3种新型储能电介质的电性能参数作了对比。此外,测试并绘制了他们的D~E曲线,并以BOPP为参考,对他们的放电效率进行了研究。测试结果表明,这3种新型储能电介质的放电效率均随频率的升高而升高。     

全有机聚酰亚胺复合电介质薄膜储能特性的研究进展

聚酰亚胺（PI）因其优异的性能在新型高温储能电介质材料领域得到广泛关注。与无机/PI复合电介质材料相比，全有机PI复合电介质材料可以在获得高介电常数和高储能密度的同时保持优异的力学性能。本文首先讨论了影响聚合物电介质材料储能特性的关键参数，包括介电常数、介质损耗、击穿场强、储能密度、充放电效率和耐热性，然后分别从物理共混和化学共混两个角度分类介绍了影响全有机PI复合电介质材料储能特性的关键因素及发展动态，最后，对如何有效提升全有机PI复合电介质材料的高温储能特性问题进行了总结，并对其未来发展方向进行了展望。     

本征型耐高温聚酰亚胺储能电介质研究进展

随着电子电气装备的小型化、高功率化、集成化的发展,电介质电容器的需求也朝着功能化、多样化发展,从而对电容器用储能电介质材料也提出了更高的要求以适应更加日益复杂的工作环境。聚酰亚胺作为具有耐高温、耐化学腐蚀、热稳定性等优异特性的工程塑料,被认为是作为耐高温储能电介质薄膜的候选材料,但由于其介电常数较低,大大影响了其作为高温储能电介质的应用,而依据分子结构与性能关系,通过调整其空间结构及构型可同时实现介电性能与耐热性的平衡,因此如何从本征上提升聚酰亚胺的介电与储能特性成为本领域急需解决的关键问题之一。基于聚酰亚胺储能特性提升的机理,从分子结构设计的角度包括聚合物分子结构、新型单体的合成、聚合物–金属络合、共聚改性等方面等分析了提升本征型耐高温聚酰亚胺电介质储能特性的策略。最后,对当前高温储能聚酰亚胺电介质材料的研究进行总结并对未来发展方向进行展望,以期实现下一代电容器用具有优异储能特性的聚合物薄膜的研发。     

铁电聚合物基纳米复合电介质储能材料研究进展

高储能密度聚合物基复合电介质材料在电容器领域具有很高的应用价值,目前很多研究集中在本身具有较高的介电常数的铁电材料上。通过探讨铁电聚合物基纳米复合电介质材料储能理论、电极化特性、充放电效率等与储能密度密切相关的性能,深入分析了复合电介质材料的储能机理并提出了下一步的发展方向。并进一步讨论了目前铁电聚合物基复合电介质材料的主要制备策略,包括纳米填料表面修饰改性、多相共混复合和多层结构调控以及由此实现的介电性能和储能密度的提升。     

基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究进展

聚合物薄膜电容器具有功率密度高、释放瞬时电流大、成本低以及易加工等优点，在电气装备与电子器件中有着广泛应用。近些年，聚合物电容薄膜研究材料体系不断丰富，纳米/微纳米功能填料复合、聚合物分子链结构控制、介观/宏观多层界面设计等方法均显著提升了聚合物薄膜的放电能量密度和充放电效率。其中，基于多层结构设计的聚合物复合薄膜储能性能研究得到了极大关注。论文综述了具有多层结构聚合物储能介质研究领域的最新进展，系统地介绍了多层结构设计对复合薄膜极化、击穿和高温电导等特性的影响机制，并从纳米复合多层结构、全有机多层结构和耐高温多层结构3个方面总结提高储能性能的方法。最后，对基于多层结构设计的复合薄膜未来发展做出简要展望。     

新型高储能密度聚合物基绝缘材料

新型高储能密度聚合物基绝缘材料由于应用潜力巨大,在近些年来发展速度很快。本文简单介绍该材料的重要性,解释电介质材料的储能机理、介电常数、电位移、击穿场强与储能密度之间的关系,以及计算储能密度和充放电效率的方法,然后分别对聚合物电介质和复合电介质材料研究进展进行概述,重点讨论材料的制备策略、加工工艺、微观/宏观机理分析和性能表征,并在文章最后对高储能密度聚合物基绝缘材料进行总结和展望。     

聚合物基复合薄膜的高温储能性能研究进展

聚合物薄膜电容器具有功率密度大、安全性高、绝缘性好等优点而被广泛应用在工程领域。近年来,随着新能源交通、清洁能源并网、油气开采等领域对具有优异高温储能特性的介电薄膜电容器需求日益增加,高温、高电场等极限条件下介质薄膜电容器的储能受到越来越多的关注,相关研究已成为电工材料领域的研究热点。该文总结近年来有关聚合物基复合薄膜的高温储能研究进展。首先,介绍决定电介质材料高温储能特性的关键参数,分析高温、高电场对相关参数的影响规律;其次,梳理基于不同空间层次设计的聚合物薄膜高温储能特性优化研究现状,从分子结构、微观结构、介观结构3个方面总结高温储能性能的调控方法;最后,对进一步提升聚合物薄膜的高温储能性能做出展望。     

本体聚合PMMA基复合介质膜的储能特性研究

目前有机薄膜电容器中的介质材料多为线性电介质,这类聚合物的介电常数通常较低,造成电容器储能密度普遍偏低,而新型高储能聚合物介质材料一般又存在介质损耗高的问题。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与高储能含氟聚合物的相容性较好,常被用来改善后者的力学和击穿性能,但市售的PMMA存在本征介质损耗过高的问题。为了降低PMMA的介质损耗,本文用甲基丙烯酸甲酯(MMA)与苯乙烯(St)合成MMA-St共聚物(MS),将不同比例的MS掺入本体聚合的PMMA中形成复合体系,并研究复合体系的介电特性、储能特性及绝缘特性。结果表明：该复合体系可以显著降低PMMA的介质损耗,相较于PMMA更适合作为高储能聚合物的改性材料。其中复合10%MS的介质膜在5 500 kV/cm电场下获得了5 J/cm³的放电能量密度,充放电效率达到83%。     

电介质储能材料研究进展

介绍了电介质储能的物理基础和主要测试方法,比较分析了各种电介质储能材料的研究进展。在单相电介质材料中,对于陶瓷材料,研究重点是提高击穿场强;对于玻璃、聚合物材料,研究重点是提高介电常数。通过制备两相复合材料提高储能密度是当前电介质储能材料的研究热点,其中的重点问题是如何更好的控制两相界面来提高储能密度。     

面向智能配电网可信量测装置高储能密度的电力电容器介质Bi_(1.5)ZnNb_(1.5)O_7(BZN)薄膜材料制备

随着配电网向着可靠性、稳定性、安全性和交互性方向的发展,其对电力电容器的储能性能提出了更高的要求。为制备高储能密度的电力电容器用介质材料,利用磁控溅射技术在Pt-Si基底上制备Bi_(1.5)ZnNb_(1.5)O_7(BZN)薄膜,通过在氧气氛中进行后退火处理,有效地提高了BZN薄膜的结晶性能,并对不同退火条件下BZN薄膜的介电常数、介质损耗因数、漏电流密度、击穿场强和储能密度进行测试分析,表明:氧气氛退火处理能提高BZN薄膜的电学性能,当在10 000 Pa以上的氧气压下退火后,BZN薄膜的储能密度达到9.0 J/cm~3左右,提高到未经过退火BZN薄膜的4.5倍。     

聚合物基全有机复合电介质材料研究进展

聚合物基全有机复合电介质材料相比于其他的电介质材料具有电气强度高、介质损耗低、质量轻、机械加工性能优良等优点,更适合于实际应用.本文综述了以纯聚偏氟乙烯(PVDF)、PVDF共聚物、其他聚合物作为基体的聚合物基全有机复合电介质材料的研究进展,并对聚合物基全有机复合电介质材料在电容储能及实际应用中仍面临的一些问题作了探讨,对其未来发展进行了展望.     

高介电聚丙烯基纳米复合薄膜介电及储能性能抗老化特性

该文以一种具有新型介电特性的聚丙烯基纳米复合薄膜为研究对象,通过与德国创思普公司以及我国百正公司的双轴拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜进行对比,基于试验重点研究三类薄膜热老化行为对薄膜结构变化和介电性能的影响,发现随老化时间的延长,BOPP的相对介电常数和损耗均有所升高,而复合薄膜的相对介电常数下降;另外,所有样品的储能特性都随着热老化时间的增加而下降。研究结果表明,热老化前后高介电聚丙烯基纳米复合薄膜的相对介电常数和储能密度均优于两种BOPP薄膜。因此聚丙烯基纳米复合薄膜是一种高相对介电常数、具有较好储能性能电介质薄膜,可用于制备具有高储能密度的薄膜电容器。     

含有氮化硼势垒层的三明治结构聚合物基复合介质储能特性研究

聚合物基高温储能介质因其较高的功率密度及优异的充放电效率被广泛应用在电气和电子等领域。该文选用不同粒径的氮化硼纳米片(BNNSs)作为填料，掺杂到聚醚酰亚胺(PEI)中构建势垒层，添加在纯PEI两侧制备拥有三明治结构的复合薄膜，探究粒径大小在不同温度/填充体积分数下对复合薄膜的介电性能及储能性能的影响。研究发现，构建BNNSs势垒层的三明治结构复合薄膜显著抑制了介质的高温电导，提高了充放电效率，且较小粒径BNNSs填充势垒层能更有效地提高击穿场强和储能密度，其中掺杂200 nm粒径BNNSs体积分数为5%的复合薄膜在常温下的储能密度可达5.65J/cm³，充放电效率高达96%，即使在150℃下，储能密度和充放电效率也可分别达到2.52 J/cm³和95%。通过随机击穿模型阐明了粒径大小及三明治势垒层结构对击穿性能的提升机制。该文提出的含有势垒层的三明治复合结构为高温下复合薄膜储能特性优化提供了新的策略。     

高温聚合物薄膜电容器介电材料评述与展望

聚合物电介质材料以其高充放电速率、高功率密度、高击穿场强和自愈性等优点被广泛应用于静电电容器中。然而新能源汽车、光伏并网、油气勘探、航空航天等应用对聚合物电容器在高温下的介电储能性能提出了更高的要求。为此介绍了电介质材料的基本物理背景,综述了一些典型的高温介电聚合物,重点介绍了介电聚合物复合材料,包括表面处理聚合物、基于填料形貌分类的聚合物基纳米复合材料、三明治结构复合材料和聚合物–分子半导体全有机复合材料。还对复合材料的电荷注入和输运特性与基体和纳米粒子的界面微区特性的最新研究进展进行了介绍。最后对高温聚合物电介质材料的发展现状和存在的挑战进行了简要总结。     

聚丙烯纳米复合电介质的陷阱分布特性与储能性能提升研究

为探究纳米复合电介质的陷阱分布特性及其对储能性能的提升机理,本文制备三种聚丙烯纳米复合电介质,并测试其理化、介电及储能特性。测试结果表明,掺杂氮化硼纳米片的试样具有更高的熔融温度、结晶度、极化强度、电阻率、击穿强度及储能密度。分析发现,聚丙烯纳米复合电介质电导率的电场依赖性符合指数陷阱下的跳跃电导模型,其温度依赖性满足Meyer-Neldel补偿规则,这表明纳米复合电介质中的指数型分布陷阱与基体的机理相同。同时,拟合结果表明纳米掺杂主要改变最深陷阱能级,其与结晶度成正比,并基于缨状微束模型解释了陷阱能级增大和储能密度提升的机理。纳米粒子引入的有序紧密的界面区会束缚分子运动,进而阻碍电荷输运和能量积累,表现为电导率下降和击穿强度提高,最终实现储能性能的提升。     

高储能密度全有机复合薄膜介质材料的研究

电容器储能以其轻便、高效、环保等特点正在逐步引起人们的重视。为制备高储能密度的电容器介质材料,研究以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,以纳米尺度的导电聚苯胺(PANI)为填料,采用溶液法及后续的球磨工艺制备了高储能密度的全有机复合薄膜介质材料。研究了添加物含量、频率等因素对复合介质材料介电性能的影响。发现当PANI体积分数达到0.05时(略高于渗流阈值fC=0.041),复合薄膜的介电常数在100 Hz条件下高达456,击穿场强为60 MV/m,储能密度达到了7.2 J/cm3,与PVDF基体相比提高了3倍多。另外还发现即使在渗流阈值附近,复合薄膜介电性能仍具有一定的频率稳定性。介电常数在低频范围(102~104Hz)内基本保持不变。利用SEM对复合薄膜的表面形貌进行了分析,发现有机填料PANI粒子在PVDF基体内有很好的分散性。另外利用XRD分析了复合薄膜的晶体结构,发现该制备工艺条件下所得复合材料基体主要以β-PVDF形式存在,这有助于发挥PVDF基体的功能性。渗流阈值理论可用来解释介电常数随添加物含量和频率的变化规律。研究结果表明,该制备工艺可得到适用于较宽频率范围的高储能密度复合薄膜。     

聚丙烯纳米复合材料的介电特性研究

目前电力系统中容性设备是占地面积较大的设备之一,随着柔性直流输电技术的发展,提高容性设备的储能密度、减小设备体积成为迫切需要解决的问题。提高电容器电介质储能密度的途径主要是提高相对介电常数和击穿场强,通过向有机聚合物基体掺杂无机纳米材料是电介质材料改性的方法之一。本文测试了不同氧化钛含量样品的相对介电常数和直流击穿场强,对比分析了纯聚丙烯样品和聚丙烯/氧化钛复合材料样品的陷阱参数。结果表明,氧化钛的掺杂会在复合材料中引入界面区,从而影响材料的介电特性。氧化钛质量分数为9%的样品相对介电常数最高,相对纯聚丙烯样品增大了23.95%;而氧化钛质量分数高于0.1%时,击穿场强则随氧化钛含量的增加而降低。