高温强电场薄膜电容器电介质材料的结构设计及介电储能性能研究

Plastic film capacitors are critical components in high-power energy storage and pulsed power systems, and are broadly adopted in electric vehicles, aerospace power conditioning and advanced electromagnetic weapons, where the power electronics are exposed to elevated temperatures. Conventional high-temperature polymer dielectrics dissipate a large amount of heat as they are involved in continuous operations under high temperature and strong electric field conditions, which, unfortunately, leads to thermal runaway and failure of plastic film capacitors. In this project, we propose to tackle the key issues associated with thermal runaway in plastic film capacitors by developing new high-temperature polymer dielectrics utilizing the most recent advances in material science and engineering. The new strategy will mainly focus on the suppression of charge injection from electrodes and thermally activated migration of charge carriers, rather than following the traditional design of high-temperature polymer dielectrics that only concerns the thermal stability of materials. Advanced thin-film deposition technologies, straightforward chemical synthesis, comprehensive characterizations of dielectric and capacitive energy storage properties as well as computational simulations will be carried out to accomplish a full-chain research and development covering from structure control to material preparation, to performance assessment and to device modeling. The ultimate goal of this project is to develop novel high-temperature polymer dielectrics that can maintain dielectric stability and energy storage properties under high electric field and high temperature up to 250 ºC, and effectively suppress the thermal runaway of plastic film capacitors. The success of this project will enable much higher operating temperature of plastic film capacitors.

聚合物薄膜电容器是功率型储能和脉冲功率系统中的核心部件，已在电动汽车、航空航天、先进电磁武器等领域被广泛使用。在这些应用中，薄膜电容器处于高温工作环境。传统高温聚合物电介质材料在高温、强电场条件下连续工作时发热量大，容易导致薄膜电容器因热失稳而发生故障。本项目拟针对高温、强电场聚合物薄膜电容器材料开展研究，突破传统设计中主要关注材料热稳定性的局限，重点解决电极-介质界面的电荷注入和介质内的热激发载流子导致的泄漏电流问题。采用先进的薄膜溅射与沉积技术、简单有效的化学合成与改性方法、系统全面的电气性能与储能性能表征以及计算机模拟等手段，通过结构控制、样品试制、性能评估和器件仿真等四个环节，开发在250 ºC高温及强电场条件下具有稳定介电和储能性能，并能有效抑制薄膜电容器高温环境下连续工作时的热失稳问题的高温聚合物电介质材料。本项目的研究将为薄膜电容器在更高的温度下长期稳定工作提供重要材料支撑。

为抑制高温、强电场条件下聚合物电介质内部显著增加的传导损耗，本项目主要进行了七个方面的研究。第一，为抑制电极/电介质界面处的电荷注入，在介质表面用先进薄膜沉积技术成功构筑了不同种类，不同厚度的无机纳米绝缘层。提出了一种基于等离子体辅助化学气相沉积的高温高性能电容器薄膜连续生产装置及方法。为高性能复合电介质薄膜的工业化生产提供了思路。第二，研究了无机纳米绝缘层对电荷注入的抑制效果及其与介质薄膜的界面稳定。发现界面能在50000次充放电循环中保持稳定。提出具有宽带隙、高介电、较少缺陷的一定厚度的纳米绝缘层更有利于抑制电荷注入。据此确定了氧化铝为最优的纳米绝缘层材料。氧化铝薄膜的沉积可以直接由工业薄膜电容器生产中蒸镀铝电极的设备经过改造而完成，表明该方法具有广阔的工业化应用前景。第三，为抑制介质内部的热激发载流子的传导，采用溶胶凝胶法，通过功能化改性聚醚酰亚胺（PEI），并同时加入不同种类的金属醇盐原位成功制备具备有机-无机杂化结构的聚醚酰亚胺。引入了高于传统纳米复合材料的深陷阱。获得了高的储能密度。第四，利用有限元分析对薄膜电容器性能进行预测和结构优化。漏导损耗小的薄膜电容器连续工作时中心温度更低，能工作在更高电压。电容器选择的形状应该以扁平形状为主。第五，利用有机光伏中电子受体材料的强得电子能力在高温聚合物中构筑了深电荷陷阱，制备了高温高场下低传导损耗的全有机复合高温电介质材料。解决了传统有机-无机复合体系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等问题。第六，基于聚丙烯（PP）的纳米复合材料的界面调节，提升了纳米粒子与聚合物基体的相容性。大大提高了纳米复合材料高温下的电容性能与最高运行温度。第七，由具有相似化学结构但介电特性不同的两种PVDF共聚物组成了新型的多层聚合物复合材料。该多层聚合物复合材料在高温下表现出出色的电容性能。提出了基于离子捕获与离子中和的性能提升机理。