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Todas las películas dieléctricas de polímero para lograr condensadores de película de alta densidad de energía mediante la combinación de poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) con politiourea aromática

Resumen

Construir películas dieléctricas con alta densidad de energía y eficiencia es el factor clave para fabricar condensadores de película dieléctrica de alto rendimiento. En este artículo, se construyó una película compuesta totalmente orgánica basada en un polímero de alto dieléctrico y un polímero dieléctrico lineal. Después de la reacción de policondensación optimizada de un politiourea aromática de polímero dieléctrico lineal (ArPTU), se obtuvo el ArPTU de peso molecular adecuado, que se introdujo en un terpolímero de poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) para un dieléctrico compuesto. Los resultados indican que la adición de moléculas de ArPTU reduce la pérdida dieléctrica y mejora la fuerza del campo de ruptura del PVDF-TrFE-CFE de manera efectiva. Para la película compuesta de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10), la densidad de energía máxima es de aproximadamente 22,06 J / cm 3 se alcanzó a 407,57 MV / m, y se presentó una alta eficiencia de descarga alrededor del 72%. Este material compuesto se puede moldear fácilmente sobre un sustrato flexible, y se obtienen películas compuestas orgánicas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU que tienen alta densidad de energía, alta fuerza de campo de ruptura, baja pérdida dieléctrica y mayor eficiencia de descarga. Esta es una exploración no informada sobre películas dieléctricas orgánicas de alta densidad de energía basadas en matriz de PVDF-TrFE-CFE y dieléctricos de polímero lineal, y los hallazgos de esta investigación pueden proporcionar un método simple y escalable para producir materiales flexibles de alta densidad de energía para dispositivos de almacenamiento de energía.

Introducción

Se requieren condensadores de película dieléctrica con alta densidad de energía, baja pérdida dieléctrica y alta eficiencia para sistemas de energía compactos y confiables [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Entre las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica disponibles, los condensadores de película dieléctrica tienen la densidad de potencia más alta debido a su capacidad de carga y descarga ultrarrápida [8, 9]. Los materiales dieléctricos de almacenamiento de energía juegan un papel vital en los condensadores de película dieléctrica, el rendimiento de las películas dieléctricas decide la mayor parte del rendimiento de los condensadores y la construcción de alta densidad de energía, y las películas dieléctricas de baja pérdida dieléctrica están atrayendo la mayor parte de la atención en la investigación relacionada. Sin embargo, los materiales dieléctricos actuales existen en el dilema de tener alta densidad de energía y eficiencia. Generalmente, los polímeros tienen una alta intensidad de campo de ruptura pero una baja constante dieléctrica [10, 11]. La densidad de energía del polipropileno orientado biaxialmente (BOPP), que es un polímero dieléctrico lineal ampliamente utilizado en la actualidad, es de solo 1,2 J / cm 3 , que está lejos de las necesidades de aplicación práctica. Es bien sabido que los materiales cerámicos tienen una constante dieléctrica alta, pero la fuerza del campo de ruptura es muy baja y el proceso de preparación es complicado. Ya es común llenar nanomateriales inorgánicos de alta constante dieléctrica en polímeros orgánicos para dieléctricos de alta densidad de energía. Sin embargo, en muchos casos, la recombinación de los dos materiales da como resultado la agregación y la adhesión interfacial debido a la diferencia de compatibilidad entre los dos ingredientes, lo que da como resultado una alta pérdida dieléctrica. Con este fin, es necesario buscar y diseñar nuevos materiales dieléctricos para aumentar aún más la densidad de energía de las películas y dispositivos relacionados.

En comparación con los materiales inorgánicos, los polímeros son materiales atractivos que se pueden utilizar como dieléctricos [12,13,14] debido a su tecnología de procesamiento simple y densidad de luz, lo que da como resultado películas ligeras y flexibles. Como dieléctricos de polímeros, el poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF) y sus copolímeros se han estudiado extensamente para aplicaciones de condensadores debido a su alto campo de ruptura y constante dieléctrica [15,16,17,18,19]. El alto momento dipolar del enlace C – F produce un polímero basado en PVDF con una constante dieléctrica más alta. Desafortunadamente, la alta polarización remanente y la gran pérdida por histéresis de PVDF y sus copolímeros limitan su aplicación en materiales dieléctricos en condensadores. Una forma de resolver este problema es diseñar un polímero ferroeléctrico relajado con histéresis reducida incorporando defectos estructurales en la matriz de PVDF. Por ejemplo, el clorofluoroetileno (CFE) se introduce en poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno) (PVDF-TrFE) para formar poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE), y un ciclo de histéresis estrecho y alta constante dieléctrica. se observan [20, 21]. Sin embargo, los terpolímeros de PVDF exhiben una alta pérdida dieléctrica bajo un campo eléctrico elevado [22].

En los últimos años, los polímeros dieléctricos lineales con grupos polares se han utilizado como dieléctricos de polímeros de alto rendimiento debido a la alta intensidad del campo de ruptura y la eficiencia de descarga. Más importante aún, se pueden diseñar abundantes polímeros dieléctricos lineales con diferentes grupos polares de acuerdo con el primer cálculo del principio para diferentes aplicaciones [23]. Entre estos polímeros, la politiourea aromática (ArPTU) ha sido reportada como un nuevo polímero dieléctrico lineal con alta fuerza de campo de ruptura (1.0 GV / m) y alta eficiencia de carga y descarga (90% a 1.1 GV / m) [24, 25]. Las películas de polímero aromático todavía exhiben una respuesta dieléctrica lineal bajo campos eléctricos elevados. A diferencia de otros polímeros no polares, el dipolo aleatorio y la estructura de fase vítrea amorfa de los grupos polares en ArPTU pueden actuar como una trampa, aumentando en gran medida la dispersión de los portadores, reduciendo así en gran medida la pérdida de conducción en campos eléctricos altos. Sin embargo, la ArPTU es frágil debido a los grupos aromáticos rígidos, lo que la hace inadecuada para la preparación de películas de gran superficie para aplicaciones de condensadores de película dieléctrica, especialmente los dispositivos basados ​​en el procesamiento de rollo a rollo. En cuanto al método de preparación de la película, aparecen algunos métodos nuevos, como la impresión 3D, para la posible preparación de la capa dieléctrica [26, 27]. Sin embargo, necesita más mejoras antes de que pueda aplicarse al proceso de fabricación de películas, especialmente para dieléctricos compuestos de gran superficie.

En este trabajo, con el fin de resolver estos problemas, se ha estudiado un material dieléctrico totalmente orgánico PVDF-TrFE-CFE / ArPTU para lograr una alta densidad de energía y eficiencia. Antes del proceso de composición, se investigó en detalle la influencia del peso molecular en el rendimiento de ArPTU para encontrar el buen efecto sinérgico entre dos polímeros, y esto proporcionaría instrucciones más valiosas para construir dieléctricos de alto rendimiento y totalmente orgánicos basados ​​en dieléctricos lineales. materiales. Luego, al mezclar una pequeña cantidad de ArPTU en la matriz de PVDF-TrFE-CFE, se utilizó un método de fundición en solución simple para preparar películas compuestas de gran área y se lograron películas dieléctricas compuestas con alta densidad de energía y eficiencia. En particular, este polímero compuesto es fácil de procesar, más liviano y de menor costo [28, 29, 30], lo que muestra un futuro prometedor como condensadores dieléctricos de alto rendimiento y aplicaciones de almacenamiento de energía.

Materiales y métodos

Materiales

PVDF-TrFE-CFE 63,2 / 29,7 / 7,1 (% en moles) se adquirió de Piezotech (Francia). La 4,4′-difenilmetanodiamina (MDA) se adquirió en Aladdin (Shanghai, China) y p -diisotiocianato de fenileno (PDTC) se adquirió en Acros (Bélgica). N -La metilpirrolidona (NMP) fue suministrada por Chengdu Kelong Chemical Company.

Síntesis de politiourea y preparación de películas

La ArPTU se sintetizó mediante la reacción de policondensación. Se agregaron 1.922 g (0.01 mol) de PDTC y 1.982 g (0.01 mol) de MDA a un matraz de fondo redondo de tres bocas previamente cargado con 40 ml de solvente NMP bajo una N 2 atmósfera. Después de reaccionar a temperatura ambiente durante 6 h, se lavó con metanol de 3 a 5 veces y luego se secó en un horno de vacío a 60 ° C durante 12 h para obtener la politiourea. Controlando la proporción de los dos monómeros de la politiourea sintética, se obtienen tres politioureas de diferentes pesos moleculares de A, B y C.

Las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones se prepararon mediante un método de colada en solución. Primero, la masa precalculada de ArPTU y PVDF-TrFE-CFE se disolvió por separado en disolvente NMP para formar la solución correspondiente y se agitó a temperatura ambiente durante 4 h. Luego, se mezclaron por separado soluciones de diferentes proporciones de masa de la solución preparada en el paso anterior, y N 2 se cargó para evitar burbujas generadas durante la mezcla y se agitó a temperatura ambiente durante 6 h. La película de espesor uniforme se formó mediante el método de fundición en solución sobre la placa de vidrio de cuarzo limpio, y las películas compuestas se obtuvieron secando al vacío a 60 ° C durante 12 h.

Prueba de rendimiento eléctrico

Los bucles de histéresis de campo eléctrico de polarización unipolar de las películas de polímero dieléctrico se adquirieron utilizando Precision Multiferroic (Radiant) equipado con un amplificador de 4000 V a temperatura ambiente y una frecuencia de 10 Hz. La eficiencia del ciclo de carga-descarga en función del campo aplicado viene dada por la relación entre la energía descargada y la energía eléctrica almacenada. La constante dieléctrica y la pérdida de las películas de polímero dieléctrico se midieron en un rango de 100 Hz a 1 MHz a temperatura ambiente con un analizador de impedancia (Agilent 4294A). La intensidad del campo de ruptura de las películas de polímero dieléctrico se midió mediante un comprobador de resistencia de aislamiento de tensión soportada de CA y CC (TH9201) a temperatura ambiente. La resistencia a la rotura de las películas compuestas se determinó mediante las estadísticas de distribución de Weibull.

Caracterización de los materiales

Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM, Hitachi S-4800) para observar la morfología de la superficie de las películas de polímero dieléctrico. Las curvas de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) de las películas de polímero dieléctrico se observaron mediante un espectrómetro FTIR (8400S, Shimadzu) en el rango de 400 a 4000 cm −1 . Los patrones de difracción de rayos X (XRD) de las películas de polímero dieléctrico se registraron mediante un difractómetro de rayos X en polvo (X’Pert Pro, Panalytical) utilizando radiación Cu Kα.

Resultados y discusiones

Propiedades dieléctricas de películas de ArPTU de diferente peso molecular

El peso molecular muestra una clara influencia sobre el rendimiento físico de ArPTU, especialmente el rendimiento dieléctrico y la procesabilidad. Controlando las condiciones de la reacción de policondensación, especialmente la relación de los dos monómeros, se sintetizaron ArPTU con diferente peso molecular, como se muestra en la Tabla 1 (A, B y C son politioureas sintetizadas por la relación molar PDTC / MDA (1/1) , PDTC / MDA (0,95 / 1) y PDTC / MDA (1,05 / 1)). Al ajustar la relación molar de los dos monómeros MDA y PDTC, el peso molecular promedio en peso y el peso molecular promedio en número de tres ArPTU disminuyeron sucesivamente en el orden de A> B> C. La figura 1 muestra la constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica de diferentes moléculas peso de las películas ArPTU en función de la frecuencia. Se puede ver que la constante dieléctrica de películas de ArPTU de diferente peso molecular disminuye al aumentar la frecuencia. Esto se debe a que la molécula ArPTU tiene un grupo polar-grupo tiourea, y los dipolos que cambian la polarización de las moléculas contribuyen mucho a la constante dieléctrica. Con el aumento de la frecuencia de prueba, la contribución de la polarización de dirección dipolar disminuye [31]. Especialmente a alta frecuencia, la velocidad de la dirección dipolar no puede mantenerse al día con el cambio del campo eléctrico, lo que da como resultado que la constante dieléctrica disminuya al aumentar la frecuencia de prueba.

La constante dieléctrica y la pérdida dieléctrica de películas de ArPTU de diferente peso molecular (A, B y C son politioureas sintetizadas por la relación molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0.95 / 1) y PDTC / MDA (1.05 / 1))

A la frecuencia de prueba de 1000 Hz, la constante dieléctrica de las películas de ArPTU de diferente peso molecular disminuye en el orden de A (4.55)> B (4.15)> C (4.10), lo cual es consistente con el orden de peso molecular de las tres ArPTU. . La razón de este fenómeno puede deberse a la orientación coordinada del dipolo de la capa límite de grano de ArPTU en polímeros de gran peso molecular [32, 33]. En esta estructura molecular, el segmento molecular de la capa límite de grano de ArPTU no solo mantiene las características de alineación de las moléculas de la región cristalina, sino que tampoco está limitado por la red reticular. Por lo tanto, en las películas de ArPTU, cuanto mayor es la fracción de volumen de la capa límite de grano, mayor es la constante dieléctrica. La película de ArPTU de alto peso molecular que contiene más moléculas de cadena larga y la capa límite de grano también ocupará más volumen, lo que dará como resultado una constante dieléctrica más alta.

Como se muestra en la (Fig. 1), la pérdida dieléctrica de películas de ArPTU de diferente peso molecular disminuye en primer lugar y luego aumenta con el aumento de la frecuencia de prueba. En el dominio de 100 a 10,000 Hz, la conductancia de iones de CC disminuye al aumentar la frecuencia de prueba, lo que resulta en una disminución de la pérdida dieléctrica. Cuando la frecuencia de prueba es superior a 10.000 Hz, la relajación del dipolo hace que la pérdida dieléctrica aumente con el aumento de la frecuencia de prueba [34]. Obviamente, las curvas de pérdida dieléctrica de las tres muestras no son muy diferentes, pero solo hay una pequeña diferencia en la región de alta frecuencia. En otras palabras, el peso molecular de la ArPTU tiene poco efecto sobre la pérdida dieléctrica de las películas de ArPTU.

La eficiencia de carga-descarga de películas de ArPTU de diferentes pesos moleculares se puede calcular midiendo los bucles de histéresis de campo eléctrico de polarización unipolar, como se muestra en la (Fig. 2). La eficiencia de carga-descarga disminuye con el aumento del campo eléctrico aplicado. En comparación con la película de ArPTU de alto peso molecular, la eficiencia de carga-descarga de la película de ArPTU de bajo peso molecular disminuye a un ritmo más lento. Bajo el campo eléctrico de 2000 KV / cm, la eficiencia de carga-descarga de películas de ArPTU de diferente peso molecular aumentó en el orden de A (83,35%)

La eficiencia de carga-descarga de películas de ArPTU de diferentes pesos moleculares (A, B y C son politioureas sintetizadas por la relación molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0.95 / 1) y PDTC / MDA (1.05 / 1))

La Figura 3 son las curvas XRD de películas de ArPTU de diferentes pesos moleculares. Las películas de ArPTU con diferentes pesos moleculares tienen picos de difracción de rayos X relativamente anchos a 2θ ≅ 22 °, y la intensidad de los picos disminuye con el aumento del peso molecular. Esto se debe a que ArPTU tiene una estructura amorfa y la película de ArPTU de mayor peso molecular contiene más moléculas de cadena larga, lo que da como resultado una región amorfa más grande. En consecuencia, la cristalinidad en las películas de polímero se redujo, lo que resulta en el debilitamiento del pico de difracción [35, 36].

Las curvas XRD de películas de ArPTU de diferentes pesos moleculares (A, B y C son politioureas sintetizadas por la relación molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0.95 / 1) y PDTC / MDA (1.05 / 1) )

Caracterización de películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

La Figura 4 muestra la morfología de la superficie de ArPTU, PVDF-TrFE-CFE y PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) caracterizada por microscopía electrónica de barrido (SEM). Se puede observar que la superficie de la película de PVDF-TrFE-CFE representa una estructura dendrítica, lo que indica su alta cristalinidad, que consiste en los resultados de XRD. La película ArPTU muestra una superficie de película muy suave y aparecen algunas partículas pequeñas en la superficie de la película compuesta PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10). Obviamente, los dominios de PVDF-TrFE-CFE se han reducido al combinar ArPTU, que también consta de los datos XRD.

Imagen SEM de diferentes películas. un ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5)

Las curvas FTIR de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes relaciones de masa de ArPTU se muestran en la (Fig. 5a). Las curvas FTIR muestran que las películas compuestas con diferentes proporciones tienen picos de absorción obvios a 1230 cm −1 , resultante del grupo -HN-CS-NH- en la politiourea, lo que prueba la existencia de ArPTU en las películas compuestas. En la (Fig. 5b) se muestran las curvas XRD de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones de composición. Puede verse que la película PVDF-TrFE-CFE y las películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU tienen picos característicos obvios a 2θ ≅ 19,72 °, y este pico es un pico de difracción característico de la fase β (110) y ( 200) planos de cristal. La intensidad del pico de difracción disminuye con el aumento del contenido de ArPTU, lo que significa que la cristalinidad de la película compuesta disminuye con el aumento del contenido de ArPTU. Además, la película PVDF-TrFE-CFE y la película PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5) tienen un pico de difracción más débil a 2θ ≅ 17,56 °, y este pico es el pico de difracción característico de la fase α (020) plano de cristal. Cuando la fracción de masa de ArPTU alcanza más del 10%, el pico de cristalización de la fase α de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU se debilitó, lo que indica que las películas compuestas se transforman lentamente a un estado amorfo con el aumento del componente ArPTU.

un Las curvas FTIR de las películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones compuestas. b Las curvas XRD de películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes relaciones de composición

Propiedades dieléctricas de las películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

Con base en los resultados anteriores, se eligió la muestra B de ArPTU, que tiene una constante dieléctrica y una eficiencia de descarga más altas, para preparar películas dieléctricas compuestas con PVDF-TrFE-CFE. En primer lugar, para estudiar la influencia de ArPTU en la propiedad dieléctrica de la matriz PVDF-TrFE-CFE, se caracterizaron espectros de frecuencia dieléctrica en un rango de 100 Hz a 1 MHz a temperatura ambiente. Como se presenta en la (Fig. 6a), se puede ver que la constante dieléctrica de las películas compuestas disminuye gradualmente a medida que aumenta el contenido de ArPTU. Las películas compuestas tienen constantes dieléctricas de 35,72, 30,02 y 28,37 a relaciones 95/5, 90/10 y 85/15 en 1000 Hz, respectivamente. La constante dieléctrica reducida de las películas compuestas se debe a la adición de ArPTU de constante dieléctrica baja. Al mismo tiempo, con la cantidad de adición de ArPTU aumentando, la dependencia de la frecuencia constante dieléctrica de las películas compuestas disminuye. Esto se debe a que las unidades de tiourea en la ArPTU interactúan con la matriz PVDF-TrFE-CFE, lo que limita la rotación de los dipolos en PVDF-TrFE-CFE [37].

un Constante dieléctrica de películas compuestas ArPTU, PVDF-TrFE-CFE y PVDF-TrFE-CFE / ArPTU. b Pérdida dieléctrica de películas compuestas ArPTU, PVDF-TrFE-CFE y PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

La Figura 6b muestra la relación entre la pérdida dieléctrica y la frecuencia de las películas compuestas con diferentes relaciones de ArPTU. Se puede ver que la pérdida dieléctrica de todas las películas compuestas es menor que la película PVDF-TrFE-CFE, lo que indica que la adición de moléculas de ArPTU puede reducir la pérdida dieléctrica de PVDF-TrFE-CFE de manera efectiva. Esto se atribuye a que la unidad de tiourea en la politiourea aumenta el espacio interplanar, y los dipolos en la cadena de polímero tienen más espacio para girar libremente, lo que limita la relajación del dipolo de manera efectiva. Dado que la pérdida dieléctrica en altas frecuencias proviene principalmente de la relajación dipolar, los resultados nuevamente indican que los grupos de tiourea en ArPTU pueden limitar la relajación dipolar [37, 38].

La intensidad del campo de ruptura de las películas dieléctricas es otro parámetro importante para aplicaciones prácticas de condensadores. La intensidad del campo de ruptura de las películas compuestas con diferentes relaciones ArPTU se caracteriza por las estadísticas de distribución de Weibull, que se muestran en la (Fig. 7). Para películas ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) y PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (85/15), la intensidad del campo de ruptura calculada por la distribución de Weibull fue de 467,5 MV / m, 324,6 MV / m, 366,9 MV / m, 407,6 MV / my 302,4 MV / m, respectivamente. Revela que, en comparación con la película PVDF-TrFE-CFE, la intensidad del campo de ruptura de las películas compuestas mejora significativamente con la introducción de ArPTU, y cuanto más contenido de ArPTU contiene, se obtiene una mayor intensidad de campo de ruptura de la película compuesta. La adición de ArPTU mejora la dispersión de electrones-fonones y la dispersión de electrones-dipolos en las películas compuestas, lo que da como resultado un campo de ruptura mejorado significativamente [38]. Sin embargo, cuando el contenido de ArPTU aumenta al 15%, la fuerza del campo de ruptura del material compuesto se reduce, lo que puede deberse al fenómeno de deslaminación de dos polímeros, lo que da como resultado más defectos en el compuesto y la reducción de la fuerza del campo de ruptura en consecuencia. Por lo tanto, la adición adecuada de ArPTU mejorará la intensidad del campo de ruptura de las películas de PVDF-TrFE-CFE de alto dieléctrico de manera eficaz.

Desglose de Weibull de películas compuestas de ArPTU, PVDF-TrFE-CFE y PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

En la (Fig. 8) se muestran los bucles de histéresis de campo eléctrico de polarización unipolar de películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes relaciones de ArPTU. La polarización máxima de las películas compuestas disminuye con el aumento del contenido de ArPTU. La polarización residual de las películas compuestas con tres relaciones diferentes disminuye en relación con la película PVDF-TrFE-CFE, lo que indica que la adición de moléculas de ArPTU puede inhibir eficazmente la saturación de polarización temprana de PVDF-TrFE-CFE, lo que da como resultado una mayor eficiencia de carga-descarga. .

Bucles de histéresis de campo eléctrico de polarización unipolar. un ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE. c PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5). d PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10). e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (85/15)

En aplicaciones prácticas, la eficiencia de carga-descarga es otro parámetro característico importante de los materiales dieléctricos debido a la pérdida de energía que siempre conduce al calentamiento y daña el rendimiento y la confiabilidad del condensador. La Figura 9 muestra la eficiencia de carga-descarga de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes relaciones de ArPTU. La intensidad de campo aplicada de la película PVDF-TrFE-CFE aumentó de 500 a 2000 KV / cm, y la eficiencia de carga-descarga disminuyó de 77 a 58%, principalmente debido a la pérdida por histéresis ferroeléctrica bajo un campo eléctrico alto. La eficiencia de carga-descarga de las películas compuestas con diferentes relaciones ArPTU es significativamente mayor que la de la película PVDF-TrFE-CFE. La película PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) mantiene una eficiencia de carga-descarga del 72% en un campo eléctrico de 2000 KV / cm. A 2000 KV / cm, el compuesto muestra una alta densidad de energía con 5,31 J / cm 3 , que es mucho más alto que las películas BOPP para uso práctico. La adición de ArPTU cambia la estructura molecular de PVDF-TrFE-CFE e inhibe que PVDF-TrFE-CFE alcance prematuramente la saturación de polarización. También se ha encontrado que la proporción de adición adecuada de ArPTU muestra una influencia clara sobre la eficiencia de carga-descarga de las películas compuestas. El compuesto de relación 85/15 tiene una eficiencia de carga-descarga relativamente baja debido al alto contenido de ArPTU, que puede resultar del fenómeno de delaminación de dos polímeros.

Eficiencia de carga-descarga de películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones compuestas

La densidad de energía de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones de compuestos se muestra en la Fig. 10a. La mejora de la densidad de almacenamiento de las películas compuestas con respecto a la película ArPTU consiste en el resultado del comportamiento de la constante dieléctrica de las películas compuestas. Se puede ver que en comparación con la película ArPTU pura, las películas compuestas PVDF-TrFE-CFE / ArPTU tienen una densidad de energía más alta en el mismo campo eléctrico debido a la constante dieléctrica mejorada. La densidad de energía máxima de la película PVDF-TrFE-CFE en la película compuesta PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) tiene una densidad de almacenamiento de 22,06 J / cm 3 a 4076 KV / cm. En comparación con las películas compuestas de PVDF-TrFE-CTFE / ArPTU (19,2 J / cm 3 ) [37], la película de nuestro trabajo muestra una mayor densidad de almacenamiento de energía. Aunque las películas de nuestro trabajo muestran un voltaje de ruptura ligeramente más bajo, una constante dieléctrica más alta asegura una gran mejora de la densidad de almacenamiento de energía. Por lo tanto, se debe considerar una compensación de la resistencia a la ruptura y la constante dieléctrica al construir películas compuestas de alta densidad de energía. Además, considerando la densidad de energía de descarga, nuestro trabajo también indica una alta competitividad con la densidad de energía de descarga más alta, que se muestra en la Fig. 10b. En comparación con las películas compuestas orgánico-inorgánico, las películas compuestas orgánicas pueden mejorar la densidad de almacenamiento de energía y la eficiencia de la película de manera más eficiente y son factibles en aplicaciones prácticas para la fabricación de dispositivos de rollo a peaje [41, 42]. En total, al controlar adecuadamente el peso molecular y la relación de adición de ArPTU, los dieléctricos orgánicos de alto rendimiento basados ​​en PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con alta densidad de energía, alta intensidad de campo de ruptura, baja pérdida dieléctrica y mayor eficiencia de carga-descarga pueden ser construido. Se ha demostrado que esta película de polímero de alto rendimiento es un material dieléctrico prometedor para aplicaciones de condensadores de película de alta densidad de potencia.

un La densidad de energía de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU con diferentes proporciones de compuestos. b Comparación de la densidad de energía de descarga de nuestras obras con las obras informadas [39, 40]

Conclusión

ArPTU se introdujo en PVDF-TrFE-CFE / ArPTU para preparar películas dieléctricas compuestas mediante un método de fundición en solución. En comparación con la película PVDF-TrFE-CFE, las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU tienen una mayor fuerza de campo de ruptura, una mayor eficiencia de carga y descarga y una menor pérdida dieléctrica. Una fuerza de campo de ruptura más alta significa un aumento en la densidad de almacenamiento de energía. La película compuesta de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) tiene una densidad de almacenamiento de 22,06 J / cm 3 a 407,57 MV / m. La mejora de las propiedades dieléctricas de las películas compuestas está relacionada con cambios en la estructura cristalina. Las excelentes propiedades dieléctricas y el proceso de preparación simple de las películas compuestas de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU lo convierten en un importante avance en la investigación de los materiales dieléctricos del futuro y una perspectiva de aplicación prometedora para los dispositivos de almacenamiento de energía.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los conjuntos de datos se presentan en el documento principal o en los archivos de respaldo adicionales.

Abreviaturas

AC:

Corriente alterna

ArPTU:

Politiourea aromática

BOPP:

Polipropileno orientado biaxialmente

CFE:

Clorofluoroetileno

DC:

Corriente continua

MDA:

4,4′-difenilmetanodiamina

NMP:

N -Metilpirrolidona

PDTC:

p -Disotiocianato de fenileno

PVDF:

Poli (fluoruro de vinilideno)

PVDF-TrFE:

Poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno)

PVDF-TrFE-CFE:

Poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno)

PVDF-TrFE-CTFE:

Poli (fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno-clorotrifluoroetileno)


Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
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