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清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授聯(lián)合華南理工大學(xué)黃明俊教授在高溫儲能聚合物電介質(zhì)領(lǐng)域取得進(jìn)展
來(lái)源:研精究微  瀏覽次數:2131  發(fā)布時(shí)間:2025-01-23

介質(zhì)電容器具有功率密度高、放電速度快、可靠性高等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn),在脈沖電源系統和電子系統中得到了廣泛的應用。隨著(zhù)電子器件的進(jìn)一步小型化和集成化,對介電材料的高溫穩定性提出了更高的要求。將無(wú)機納米顆粒摻入聚合物中是改善聚合物介電性能的有效途徑。然而,無(wú)機納米顆粒的團聚和有機-無(wú)機界面在高溫下的不穩定限制了聚合物納米復合材料走向大規模工業(yè)生產(chǎn)應用。



近日,清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授聯(lián)合華南理工大學(xué)黃明俊教授將具有氨基反應位點(diǎn)的自組裝金屬有機籠結合到聚醚酰亞胺基體中,合成了金屬有機籠交聯(lián)納米復合材料。通過(guò)自組裝的金屬-有機籠進(jìn)行原位交聯(lián),不僅實(shí)現了無(wú)機組分的均勻分布,而且構建了穩健的有機-無(wú)機界面,避免了傳統納米復合材料所帶來(lái)的界面損耗,顯著(zhù)提升了高溫擊穿強度。最終,所開(kāi)發(fā)的納米復合材料表現出優(yōu)異的能量密度,分別為7.53 J cm-3(150°C)和4.55 J cm-3 (200°C),充放電效率為90%。并在200°C,300MV m-1的條件下實(shí)現了十萬(wàn)次穩定充放電循環(huán)。


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圖1.金屬-有機籠交聯(lián)納米復合材料的結構;(a)NH2-TOC的單晶結構;(b)NH2-TOC的動(dòng)態(tài)光散射圖譜;(c)傳統納米復合材料:PEI/TiO2的結構示意圖。多分散尺寸納米顆粒物理混合在PEI基體中;(d)金屬-有機籠交聯(lián)納米復合材料PEI-g-TOC的結構示意圖。具有單分散尺寸和精確官能團的超分子TOC籠作為PEI網(wǎng)絡(luò )的交聯(lián)位點(diǎn)


相關(guān)研究成果以“增強高溫電容儲能性能的金屬-有機籠交聯(lián)納米復合材料”(Metal-organic cage crosslinked nanocomposites with enhanced high-temperature capacitive energy storage performance)為題,于1月17日發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。


清華大學(xué)材料學(xué)院2022級博士生趙碩和華南理工大學(xué)前沿軟物質(zhì)學(xué)院2020級博士生彭威峰為論文的第一作者,清華大學(xué)南策文院士、沈洋教授和華南理工大學(xué)黃明俊教授為論文的共同通訊作者,其他重要貢獻者包括清華大學(xué)材料學(xué)院博士后周樂(lè ),2021級博士生徐而翔。研究得到國家自然科學(xué)基金委和科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的支持。


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