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介电聚合物/复合物、电磁屏蔽、弹性体等研究领域近期科研进展汇总

介电聚合物/复合物、电磁屏蔽、弹性体等研究领域近期科研进展汇总

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①上海交通大学黄兴溢教授团队:高性能全固态锂电池用介电聚合物电解质

锂离子电池因其理论比容量高、电化学电位低等优势,成为当下应用范围最广、发展潜力最大的电化学储能技术。正极、负极、隔膜和电解液是锂离子电池的四大关键材料。由于液体电解质与金属电极的相容性差,易引起锂沉积不均、形成枝晶穿透隔膜,降低电池库仑效率(CE)和循环寿命,造成锂电池安全隐患。固态电解质(SSE)被认为是克服液态电解质缺陷,提高锂电池安全性的重要材料。然而,目前室温下SSE的离子电导率(<10-4 S·cm-1)和单位面积容量( <1 mA·cm-2)仍相对较低 ,导致其循环寿命通常<1000 h,严重制约实际应用。因此,开发室温高负载下,高离子电导率、低界面电阻和长循环寿命的SPE至关重要。针对上述问题,上海交通大学黄兴溢教授团队提出一种盐极化策略,通过能与锂盐强烈相互作用的高介电聚合物来制备高离子导电SPE,诱导锂离子(Li+)沿聚合物分子链排列,在SPE内形成Li+跳跃连续路径。制备的PVDF-LiN(SO2F)2 SPE具有高达108的介电常数和0.77×10-3 S·cm-1的超高离子电导率。基于PVDF-LiFSI SPE组装的锂金属对称电池在0.1 mA·cm-2下具有优异的入/脱嵌特性。全固态LiFePO4电池在1 C倍率下可实现350次循环,并且在28oC下11.5mg ·cm-2负载下,具有>2600 h的超长循环寿命。该工作以"Dielectric polymer based electrolytes for high-performance all-solid-state lithium metal batteries"为题发表在 Journal of Energy Chemistry 期刊上。

②MXene基有机水凝胶电磁屏蔽材料:可拉伸、自修复、抗干燥、耐低温

随着可变形、可穿戴电子设备的快速发展,由电磁波引起的电磁辐射和电磁干扰问题日益严重。水凝胶具备优异的导电性、柔韧性、可拉伸性和生物相容性,在发展可变形、可穿戴电磁屏蔽材料方面具有独特的优势和潜力。然而导电水凝胶环境稳定性差(易失水干燥、低温冻结)的缺点极大限制了其实际应用。虽然利用有机溶剂分子置换水分子(有机水凝胶)可以提高水凝胶的环境稳定性,但这却是以降低电导率从而削弱电磁屏蔽能力为代价的。因此,开发兼具环境稳定性和高效电磁屏蔽能力的导电有机水凝胶是急需解决的问题。北京航空航天大学刘晓芳副教授、于荣海教授团队制备了一种以MXene为导电网络,水/甘油二元溶剂为离子传输通道的MXene有机水凝胶。这种有机水凝胶具有优异的抗干燥性、耐低温性、拉伸性、形状适应性、自粘附性和快速自愈合性。通过合理控制MXene有机水凝胶中MXene含量和甘油/水比例,优化了凝胶中聚合物网络的交联密度,使MXene有机水凝胶的电磁屏蔽性能优于MXene水凝胶;此外,通过微拉伸诱导MXene片平行取向连接,可以构筑MXene高效导电网络,并增强MXene表面电荷诱导的阳离子传输,从而进一步增强MXene有机水凝胶的电磁屏蔽性能。该工作解决了传统水凝胶难以兼顾环境稳定性和高效电磁屏蔽能力的难题,提出了优化聚合物网络密度和诱导无机填料平行取向提高电磁屏蔽性能的有效策略,这种设计良好的MXene有机水凝胶在可变形、可穿戴电子设备的电磁屏蔽领域具有潜在的应用前景。

如何获得高储能聚醚酰亚胺介电复合材料?

近年来,电介质电容器由于优异的储能性能被广泛用作储能设备,其中,介电聚合物由于具有柔韧性好、质量轻和击穿强度高等吸引人的优点,被广泛用于静电电容器。电介质电容器在实际应用中需要大容量,如航天电力系统和混合动力汽车,智能电网、电动汽车以及先进武器装备等。对于介电聚合物来说,低放电能量密度限制了其广泛应用。在聚合物基体中加入高介电常数的陶瓷填料可以有效提高聚合物基体的介电常数。但是由于无机填料与有机基体的相容性较差,过量的填料会降低聚合物基体的击穿强度,不利于提高复合材料的储能性能。如何在保证聚合物优点的同时,提高复合材料的介电储能性能,是目前众多学者研究的目标。聚醚酰亚胺(PEI)具有独特的力学性能和介电性能的组合,因其具有高延展性、高击穿强度和低介电损耗等特点而成为高性能微电子应用的首选材料。山东科技大学曲绍宁首先采用Stober法制备了二氧化硅(SiO2)包覆钛酸钡(BT) (BT@SiO2)填料,在BT纳米颗粒的表面包裹SiO2缓冲层,通过SiO2包裹BT减轻电场畸变,以达到增强击穿强度的作用。之后通过溶液浇铸法制备PEI/BT@SiO2复合材料薄膜,该方法简单、高效,操作要求不高。该研究为制备高储能密度聚合物复合材料提供了更为有效的方法。

⑤核-壳结构纳米复合电介质储能特性研究进展

电力电容器因功率密度大、耐受电压高等优异特性被广泛应用于脉冲功率系统、新能源发电、高压直流输电系统及电动汽车等领域 。但是相比于电池及超级电容器等储能元件,电力电容器较低的储能密度致使其体积过于庞大。聚丙烯是目前应用最为广泛的电力电容器用电介质材料,具有低损耗、耐受电压高,易于双向拉伸可大规模制备成膜等优点。除了通过分子结构设计来提高聚合物本征的介电常数外,研究发现,向聚合物中添加陶瓷或者导电纳米填料制成纳米复合电介质,也可以大幅提高介电常数,获得高储能密度复合材料。但是在纳米复合材料的研发过程中存在许多亟待解决的问题。例如,纳米填料团聚现象严重、电气强度下降、泄漏电流增大、介质损耗上升、柔性变差、不易于加工成膜、无法实现储能特性的协同提升等。然而大量研究表明,通过在纳米填料表面包覆壳层材料,制备具有核-壳结构的纳米填料可有效应对纳米复合电介质中的上述问题。近日,西安交通大学刘文凤课题组对国内外核-壳结构纳米复合电介质的研究进展进行了综述。首先介绍核-壳结构纳米填料的制备方法,包括有机表面改性和无机壳层包覆。然后进一步从电气强度、介电常数、介质损耗 3个方面论述核-壳结构纳米填料调控纳米复合电介质储能特性的作用机理,并介绍核-壳结构在提升纳米复合电介质储能特性方面取得的突出成果。最后对核-壳结构纳米复合电介质在储能应用中所面临的问题进行总结,并对其未来发展方向进行展望。图片

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