2023年3月1日,上海交通大学机械工程学院联合多家单位在《Nature》上发表题为Ladderphane copolymers for hightemperature capacitive energy storage的研究文章,采用了聚降冰片基双疏苯乙烯——一种由连接到两个聚合物主链的多层连接剂组成的双链聚合物,同时实现了聚合物梯面中最低的高场高温电导率和最大的本征通面导热率。
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05671-4
研究简介
为实现在高温下进行电容储能,需要介质聚合物将低导电率与高导热率结合起来。要让相互矛盾的性质共存仍然是现有聚合物的一个大挑战。本文描述了一类酚醛共聚物,在高电场和高温下,其电导率比现有聚合物低一个数量级以上。结果表明,该梯形共聚物在200℃时的放电能量密度为5.34J cm-3,充放电效率为90%,优于现有的介电聚合物和复合材料。梯形共聚物通过π-π叠加相互作用自组装成高度有序的阵列,从而产生了1.96±0.06 Wm-1K-1的内在通平面热导率。共聚物薄膜的高热导率允许有效的焦耳散热,因此,在高温和高电场下具有良好的循环稳定性。共聚物的击穿自愈能力的展示,表明了在极端条件下工作的高能量密度聚合物电容器的梯形结构的前景。
研究内容简介
图1 化学结构和自组装形态。
图2 导电和介电击穿。
图3 电容储能性能。
图4 内部温度、循环稳定性及自愈。
研究结果表明,与现有的体块聚合物相比,本研究同时实现了聚合物梯面中最低的高场高温电导率和最大的本征通面导热率。这种源于组成设计和自组装形态协同作用的梯形共聚物的独特特征,使其多种高温容性储能性能得到显著改善。该发现绕过了介电材料的一个显著限制,并建立了聚合物梯形结构作为一个有前途的设计平台,用于将出色的介电性能和高导热性结合在可溶液加工的介质中,用于下一代能源和电子设备。
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