一种制造长卷亚纳米复合介电聚合物的方法

工程师和材料科学家一直在努力开发越来越先进的设备，以满足电子行业不断增长的需求。这些装置包括静电电容器，该装置可以通过电介质表面上的电荷积累将电能存储在一对电极之间的电介质中。

这些电容器是电动汽车和光伏(PV)等各种技术的重要组成部分。它们通常使用聚合物作为介电材料来制造，这是由大有机分子组成的合成物质，具有良好的固有柔韧性和绝缘性能。

清华大学和中国其他机构的研究人员最近提出了一种新策略来制造填充有亚纳米片的聚合物复合材料，该材料具有非常优越的性能。他们在NatureEnergy的一篇论文中概述了他们提出的方法，使他们能够制造出一卷100米长的聚合物基亚纳米复合薄膜。

“我们与清华大学化学系王迅教授合作多年来一直关注聚合物基亚纳米复合材料，”该论文的合著者沉阳告诉Phys.org。“我们的研究重点是聚合物电介质的电容储能，这需要高极化、耐击穿和抑制电荷迁移，尤其是在高温下。”

亚纳米材料是至少一维长度低于1纳米的材料。这些材料可以采取各种形状和形式，例如亚纳米线、亚纳米片和亚纳米带。过去的研究发现，亚纳米材料可以表现出各种新颖的特性和性能，这使得它们成为复合电介质的有前途的填料。

“首先，由于其尺寸与聚合物链相当，即1nm，亚纳米材料表现出极大的灵活性，这意味着它们可以调整其形状以消除界面空隙并合并复合材料中的致密界面，”Shen解释道。“此外，亚纳米材料具有接近100%的表面原子比和超大的比表面积，这会产生比纳米填料更显着的界面现象，例如电荷捕获和击穿路径阻碍。”

基于多金属氧酸盐(POM)的亚纳米材料通常是通过在一维或二维中组装POM簇来制造的。该过程产生的独特结构使这些材料能够通过称为金属阳离子还原的反应捕获和存储许多电子，从而提供了一种在介电器件中转换电能的替代且有前途的方法。

“近年来，我们尝试使用亚纳米材料作为填料，并研究了基于聚合物的亚纳米复合材料，”沉说。“最初，我们专注于亚纳米线，并发现极化的意外增强。在最近的这项工作中，我们将注意力转向亚纳米片，并强调了击穿强度的大幅提高。”

研究人员一直在尝试制造高质量的聚合物亚纳米复合材料一段时间，因为他们首先必须克服几个技术障碍。首先，他们必须找到合适的溶剂来合成这些材料。

大尺寸聚合物亚纳米复合介电薄膜。图片来源：Yang等人。

“聚合物和亚纳米材料的合适溶剂完全不同，前者分别为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)，后者分别为氯仿或环己烷，”沉说。

“一开始我们选择氯仿作为溶剂，但其沸点低、蒸发快，使得复合膜的溶液流延过程非常困难。后来我们转向DMF/NMP，但遇到了亚纳米材料在其中分布不均匀的问题。”

为了克服使用DMF/NMP溶剂时遇到的挑战，研究人员采用了各种分散工艺，例如剧烈搅拌和材料的超声波处理。这最终使他们能够确保亚纳米材料均匀分散在薄膜中。

最终，Shen和他的同事们能够实现填料含量低于1wt%的高质量亚纳米复合材料，并发现这足以显着提高其材料的介电性能，实现7.2Jcm-3的超高Ud和充放电效率为90%，200°C时充放电循环稳定性高达5×105次循环。

“与传统的纳米复合材料不同，我们的亚纳米复合材料仍然具有优异的柔韧性，这表明其在工业卷对卷制造和多种配置应用中具有广阔的前景，”沉说。“此外，亚纳米材料已被证明对许多常见耐热聚合物具有改善作用，进一步证实了其在电容储能方面的通用性。”

作为研究的一部分，研究人员能够使用实验室建造的溶液流延设备制造出100米长的亚纳米复合薄膜卷。值得注意的是，他们的制造方法似乎很容易扩大规模，因此可以实现亚纳米复合材料的卷对卷连续制造。

“对于传统的纳米复合电介质，由于刚性无机纳米填料含量高，界面处存在一些缺陷和空隙，”沉说。

“在卷对卷制造过程中，这些界面缺陷会形成微裂纹，这会极大地降低柔性并阻碍这些纳米复合材料薄膜的工业制造。相比之下，我们的亚纳米复合材料由于其固有的柔性和与亚纳米材料聚合物具有良好的界面相容性。”

沉和他的同事发现他们生产的100米长的聚合物-无机亚纳米复合材料表现出稳定的储能性能和可靠的性能。未来，他们希望他们提出的方法能够大规模制造亚纳米复合介电材料，从而促进它们在各种设备中的集成。

在接下来的研究中，研究人员计划继续探索用于储能电容器的聚合物-无机亚纳米复合材料的制造。除了进一步提高亚纳米复合材料的性能外，他们还希望日益简化其生产。

“一方面，我们将继续探索亚纳米级聚合物和无机填料之间的相互作用，并证明其对电容储能的影响，”沉补充道。

“我们发现亚纳米无机材料表现出优异的结构相容性和与聚合物链相似的尺度，启发我们在它们之间引入化学键，形成无界面的混合电介质。另一方面，我们也希望促进其大规模生产和应用在薄膜电容器中。”

“尽管亚纳米复合材料在介电薄膜卷对卷连续制造方面显示出前景，但我们仍然有许多障碍需要克服，例如原材料成本高和亚纳米材料的合成耗时。”