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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

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admin 发表于 2024-12-14 12:53 | 查看全部 阅读模式

文档名: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
摘要: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200nm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2.52J/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.

Abstract:Facedwiththeapplicationrequirementsofvariouselectromagneticdevicesandnewenergyvehicleinverters,filmcapacitorsthatcombineeasyprocessabilitywithhighcharge/dischargedensityandefficiencyarereceivingmoreattention.However,thecommonlyusedcommercialBOPPfilmsonthemarketcannotbeusedinhightemperatureapplicationsduetotheirownstructurallimitations,andthecharge/dischargeenergydensityandefficiencyarealsolow,sothedevelopmentofhighenergystoragedensityfilmcapacitorsforhightemperatureapplicationsisthefuturedevelopmenttrend.Inordertosolvetheproblemofpoorenergystorageperformanceduetothelowbreakdownfieldstrength(Eb)ofpurepolymerenergystoragefilms,compositestructuraldesignofbroadbandinorganicmaterialswithpolymersisaneffectiveway.Inthiswork,inordertoreducetheeffectsofpoorcompatibilitybetweeninorganicandpolymersurfacesduetoexcessivedifferencesinphysicochemicalproperties,resultinginelectricfielddistortion,polyetherimide(PEI)waschosenasthematrix,BNNSswithwideforbiddenbandsandhighthermalconductivitywereusedasfillers,apotentialbarrierlayerdopedwithBNNSswasconstructedonbothsidesofthepurePEIfilmbyelectrostaticspinning,andsandwichstructuredpolymer-basedcompositefilmsweredesignedandprepared.Byincreasingtheoverallbarrierheightofthecompositefilmandsuppressingthecarrierinjectionandinternalbreakdownpathdevelopmentattheelectrodeathightemperature,theEbofthecompositefilmisfinallyenhancedandtheconductivitylossisreduced.Moreover,bycomparingthedopingofdifferentparticlesizesofBNNSs,itwasfoundthatthefillersizeplaysaroleinregulatingthemicrostructureandmacroscopicpropertiesinthestructuredesign,andeventuallythesmallersizeof200nmBNNSsobtainedhigherenergystoragedensityandcharge/dischargeefficiency,andtheenergystoragedensityandcharge/dischargeefficiencyofthecompositefilmfilledwith5%BNNSsreached5.65J/cm3and96%efficiencyatroomtemperature;evenat150℃,theenergystoragedensityof2.52J/cm3and95%charge/dischargeefficiencycanbeachieved.Inaddition,thebreakdownmechanismofpolymer-basedcompositefilmsiscomplex,andthephysicalprocessofbreakdowncannotbecapturedexperimentally.Therefore,thisworksimulatedthebreakdownpathevolutionofpolymer-basedcompositefilmsfilledwithBNNSsofdifferentparticlesizesusingastochasticbreakdownmodelandfoundthefollowingconclusions:(1)ThepotentialbarrierlayeronbothsidesofthepurePEIeffectivelyreducesthecarrierinjectionattheelectrode/dielectricanditstransportinsidethedielectric,especiallythesandwichstructure,whichhasasignificantinhibitoryeffectduringthedevelopmentofthebreakdownpath,whiletheinorganicmaterialdopedintheformofnanosheetsalsoprovidesthisresistance.(2)ThecompositefilmsdopedwithsmallersizedBNNSshavehigherbreakdownstrength,attributedtothehighernumberofsmallersizedBNNSsatthesamevolumefraction,providingahigherchanceofhindrance.(3)Excessivefillervolumefractionwillleadtolocalagglomerationinthecompositefilm,resultingindistortionofthelocalelectricfieldandseveredegradationofEb.Inthiswork,thecompositefilmwith5%BNNSsexhibitedtheoptimalenergystorageperformance.

作者:冯宇  程伟晔  岳东  张文超  迟庆国Author:FengYu  ChengWeiye  YueDong  ZhangWenchao  ChiQingguo
作者单位:工程电介质及其应用教育部重点实验室(哈尔滨理工大学)哈尔滨150080
刊名:电工技术学报
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(1)
分类号:TM211
关键词:电介质薄膜  聚醚酰亚胺  氮化硼  介电性能  储能密度  
Keywords:Dielectricfilm  polyetherimide  boronnitride  dielectricproperties  energystoragedensity  
机标分类号:TB383TQ34TM912
在线出版日期:2024年1月18日
基金项目:国家自然科学基金,黑龙江省自然科学基金优秀青年项目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[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(1)冯宇  程伟晔  岳东  张文超  迟庆国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...参考文献和引证文献
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