交替多层氮化硼/聚酰亚胺高温电容器电介质薄膜

张凯奕，马竹玉，傅强，邓华*

聚合物介质是薄膜电容器的关键材料。近年来，随着先进电子和电力系统的发展，对薄膜电容器的耐温性（＞150℃）提出了更高的要求。然而，耐高温聚合物在高温、高电场下高电导损耗这一问题严重限制了其实际应用。针对这一个问题，如何抑制耐高温聚合物在高温高电场下的电导损耗，改善其储能性能成为人们关注的焦点。最近，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授/邓华教授团队报道了一种由聚酰亚胺（PI）和氮化硼纳米片（BNNS）组成的高温电容器电介质薄膜。如图1，通过设计PI和BNNS的交变多层结构，有效阻碍材料内部自由电子迁移，降低了纳米复合材料的电导损失。在150℃时，含4层BNNS层的纳米复合材料的放电能量密度为3.98 J/cm³，相比于PI有530%的提高。

图1．交替多层结构复合薄膜制备示意图

适用于高温环境的电介质材料其本身需耐高温，耐热聚合物的分子主链通常含有大量的苯环。其产生的共轭效应会使分子链上的电子离域，导致聚合物带隙减小（PEI为3.2eV, PP为8.8eV），窄的带隙使得价带电子在高温高电场下更容易跃迁到导带。自由电子的迁移进而导致电导损耗。因此，抑制材料内部自由电子的产生及限制自由电子的迁移则是解决材料电导损耗高的重要思路。基于此，该工作利用BNNS本身宽带隙、高温优异绝缘性及二维纳米形貌特点，垂直于电场排布可最大利用其性能优势。使BNNS类似“砖块”堆砌排布，“嵌入”在聚酰亚胺薄膜中，形成交替多层结构，复合薄膜断面及BNNS层表面形貌如图2。随后，对复合薄膜的介电、击穿的表征表明，BNNS层的引入并不会显著提高介电损耗，且介电性能的温度稳定性保持良好。在对复合薄膜的储能性能的表征结果表明，BNNS层在改善PI高温储能性能有着积极的作用，且层数越多，效果越好。

图2．复合薄膜断面及BNNS层表面SEM图

图3．复合薄膜介电、击穿及储能性能

图4．复合薄膜在150℃的漏电流密度及交替多层结构与随机分布结构的电流密度分布概率。

最后，有限元模拟和实验结果表明，与传统聚合物与填料直接共混相比，交变多层结构能更有效地降低漏电流密度，改善材料储能性能，且填料用量更低。同时，相比于气相沉积方法，溶液刮涂法在牺牲一定BNNS层致密性的情况下大幅提高了大规模生产的可行性并降低了成本。该工作为耐高温的高性能介电聚合物基复合材料的设计提供了一种可行的思路，相关研究成果以“Multi-layered boron nitride/polyimide high temperature capacitor dielectric film”发表在Materials Today Energy上，通讯作者为邓华教授，第一作者为四川大学硕士生张凯奕。 

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101093