【编号】2023-66

【题名】掺杂改性PMMA/PVDF共混聚合物基复合介质的储能性能提升

【作者】张昌海，闫炜东，张统钦等

【机构】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院；许继电气股份有限公司柔性输电分公司，高压技术试验中心；哈尔滨理工大学机械动力学院

【刊名】复合材料学报（2023年07期）

【文摘】薄膜电容器在高压输电换流站、新能源汽车电驱动控制器、电磁武器脉冲功率电源等电气工程和电子器件领域具有重要应用。当前薄膜电容器正向着高能量密度、耐电压、耐高温等技术方向发展，对电容薄膜的电气性能提出了更高要求。本文选择铁电聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)共混物作为储能聚合物基体，以具有高介电常数的纳米粒子BaTiO₃ 和具有高电子亲和能的有机分子半导体[6，6]-苯基C61丁酸甲酯(PCBM)作为掺杂相，综合利用BaTiO₃ 的高介电特性及PCBM的捕获电荷能力，提高复合介质的极化强度与击穿场强，显著改善储能性能。研究表明，单掺杂BaTiO₃ 时，掺杂含量为 3wt%时复合介质综合性能最优；在此基础上，随着PCBM掺杂含量增大其储能密度和充放电效率提升明显。当PCBM掺杂含量为 2wt%时，含有 3wt%BT的PMMA/PVDF复合介质具有优异的储能性能，当电场为 579.67kV/mm时，放电能量密度达到 15.60J/cm³ 且充放电效率为 75.30%。本文首次提出基于少量无机高介电协同有机分子半导体功能填料的聚合物薄膜储能性能改性研究，通过加入少量的BaTiO₃，既避免了由于BaTiO₃ 含量过高而导致的绝缘性能下降问题，又保证了BaTiO₃ 粒子对复合介质介电常数和极化性能的提升。同时，为了进一步改善因低介电常数基体与高介电常数BaTiO₃ 颗粒之间的电场畸变所导致的击穿强度下降问题，考虑在复合介质中加入一定量的PCBM，利用PCBM强大的电子亲和能力，在复合介质中构筑深陷阱以捕获和束缚载流子，抑制载流子的迁移，提升复合介质的击穿场强，从而综合提升了复合介质的储能性能，这为开发储能性能优异的聚合物复合介质提供了一种新思路。