中国科学技术大学、安徽铜峰电子公司研究团队adv. mater.：γ辐照显著提升聚合物薄膜的介电储能特性-凯发网站

聚合物薄膜电容器在新能源汽车逆变器、电网调频、光伏/风力发电机并网、先进电子设备等方面获得了广泛的应用。其中，双向拉伸聚丙烯 (bopp)电介质薄膜，由于具有高充放电效率和成熟的制造技术，成为最先进的用于商用聚合物薄膜电容器的电介质材料，占据了~50%的聚合物电容器市场份额。然而，由于电容能量密度低，bopp电容器通常占据器件体积和重量的30%以上，而且由于仅能承受较低的工作温度<105℃，很多场景下（以新能源混合动力汽车为例，其薄膜电容器的工作环境温度可达125-150℃）需要额外布置冷却系统，不可避免地限制了现代电子电气系统的小型化发展。

最近，中国科学技术大学与安徽铜峰电子公司研究团队发展了利用γ辐照优化不同聚合物电介质材料介电常数、击穿强度、工作温度的策略。利用高能、强穿透性的γ射线辐照对bopp分子链结构进行修饰，引入了强极性的羟基和羰基基团，不仅提高了介电常数，更为重要的是引入了深陷阱能级，可降低高场、高温下漏电流和电-热击穿概率。另外，γ辐照还能引入交联结构，从而提高杨氏模量，降低电-机械击穿的概率。因此，该方案提高bopp的击穿强度40%至968 mv/m，击穿强度下的储能密度达到10.4 j/cm³，比原始bopp提高了108%，且储能效率高达97.3%，优于目前的商用聚合物电容膜、已报道的全有机聚合物和pp基复合材料。而且在600 mv/m高电场条件下经历20000次循环充放电测试，储能密度依然稳定维持在4.06 j/cm³，效率为98%。特别是，γ辐照还优化了bopp的工作温度。在125℃下，γ辐照的bopp在击穿场强770 mv/m条件下的储能密度达到5.88j/cm³，效率为90%，储能密度相对于原始bopp提高了97% (2.98 j/cm³，对应的击穿场强为576 mv/m，效率仅为76%)。击穿强度、工作温度的优化也有利于提升聚合物电容器耐受纹波电压和电流的能力，利于其安全使用。

通过电导、热激励去极化电流等实验测试结合密度泛函理论分析，发现介电常数、击穿场强、工作温度等储能性能的优化与γ辐照聚合物后薄膜内部极性基团的形成有关，极性羰基引入了深能级陷阱从而有效地抑制了高电场、高温下的电荷传输。进一步地，在环烯烃共聚物 (coc) 中验证了γ射线辐照策略的可推广性。结果表明，即使在150℃高温下，γ辐照的coc能量密度也被显著提高到4.0 j/cm³，且效率大于90%。这项工作为研发优异介电储能性能的聚合物电介质提供了一种简单而普遍适用的策略。

相关成果以“γ-ray irradiation significantly enhances capacitive energy storage performance of polymer dielectric films”为题在线发表在《先进材料》(adv. mater.)上。王艺伟为论文第一作者，是我院殷月伟教授的博士生。该项研究得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等的资助。