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Polymethyl Methacrylate Substrate-Inducing Highly Ordered Regenerated Cellulose Films toward Ultra-High Breakdown Strength and Charge–Discharge Efficiency
Macromolecules ( IF 5.1 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1021/acs.macromol.4c00416 Xu Xie 1 , Rui Luo 1 , Dexiang Sun 1 , Yongxuan Chen 2 , Xiaodong Qi 1 , Jinghui Yang 1 , Ting Huang 1 , Nan Zhang 1 , Wenbing Hu 2 , Yong Wang 1
Macromolecules ( IF 5.1 ) Pub Date : 2024-09-10 , DOI: 10.1021/acs.macromol.4c00416 Xu Xie 1 , Rui Luo 1 , Dexiang Sun 1 , Yongxuan Chen 2 , Xiaodong Qi 1 , Jinghui Yang 1 , Ting Huang 1 , Nan Zhang 1 , Wenbing Hu 2 , Yong Wang 1
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Polymer-based dielectrics, ascribed to their brilliant flexibility and easy processing, have been extensively explored in applications for electronics and electric power devices. However, fabricating full organic polymer dielectrics in a feasible way without introducing any other components is still a long-standing challenge, especially for the polymers produced from natural resources. Here, the dielectric performance-microstructure relationships of the cellulose dielectric films are declared. We demonstrate that the substrate used for supporting the dielectric film exhibits a great role in tailoring the microstructures of the dielectric film. The polar substrate [poly(methyl methacrylate), PMMA] promotes the highly ordered stacking of macromolecules in the regenerated cellulose film (HO-RC), enhancing the intermolecular interaction and reducing or even eliminating defects. Owing to the densely compact and well-aligned chain arrangement, a biodegradable-cellulose (HO-RC)-film fabricated in this work possesses a high transmittance (91%), which is better than many other commercial transparent materials. Moreover, the highly ordered and compact inner structure restrains polarized-inducing-electrostriction and impedes charge injection and transportation under an external electric field, benefiting in preventing electromechanical breakdown and electric breakdown. Consequently, the cellulose film with 8 μm thickness (A8) exhibit a high energy density of 10.39 J cm–3 at 750 MV m–1 and ultrahigh efficiency exceeding 93% and survives in 10,000 times cyclic charge–discharge measurements at 600 MV m–1. The deterministic control of the macromolecular alignment by substrate–dielectric interaction, revealed in this work, opens a novel path for high-performance polymer-based dielectrics industries on one hand. On the other hand, this work also confirms the great potential of cellulose in dielectric energy storage and application.
中文翻译：
聚甲基丙烯酸甲酯基材诱导高度有序的再生纤维素薄膜实现超高击穿强度和充放电效率
聚合物电介质由于其出色的灵活性和易于加工，在电子和电力设备的应用中得到了广泛的探索。然而，在不引入任何其他成分的情况下以可行的方式制造全有机聚合物电介质仍然是一个长期存在的挑战，特别是对于由自然资源生产的聚合物而言。在此，声明了纤维素介电膜的介电性能-微观结构关系。我们证明，用于支撑介电膜的基材在调整介电膜的微观结构方面发挥着重要作用。极性基材[聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA]促进再生纤维素膜（HO-RC）中大分子的高度有序堆积，增强分子间相互作用，减少甚至消除缺陷。由于致密且排列良好的链排列，本文制备的生物可降解纤维素（HO-RC）薄膜具有高透光率（91％），优于许多其他商业透明材料。此外，高度有序和致密的内部结构抑制了极化感应电致伸缩，阻碍了外部电场下的电荷注入和传输，有利于防止机电击穿和电击穿。因此，8μm厚的纤维素薄膜（A8）在750 MV m –1下表现出10.39 J cm –3的高能量密度和超过93%的超高效率，并在600 MV m –1下经受住了10,000次循环充放电测量– 1 . 这项工作揭示了通过基底-电介质相互作用对大分子排列的确定性控制，一方面为高性能聚合物电介质行业开辟了一条新的道路。另一方面，这项工作也证实了纤维素在介电储能和应用方面的巨大潜力。
更新日期：2024-09-10
中文翻译：
聚甲基丙烯酸甲酯基材诱导高度有序的再生纤维素薄膜实现超高击穿强度和充放电效率
聚合物电介质由于其出色的灵活性和易于加工，在电子和电力设备的应用中得到了广泛的探索。然而，在不引入任何其他成分的情况下以可行的方式制造全有机聚合物电介质仍然是一个长期存在的挑战，特别是对于由自然资源生产的聚合物而言。在此，声明了纤维素介电膜的介电性能-微观结构关系。我们证明，用于支撑介电膜的基材在调整介电膜的微观结构方面发挥着重要作用。极性基材[聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA]促进再生纤维素膜（HO-RC）中大分子的高度有序堆积，增强分子间相互作用，减少甚至消除缺陷。由于致密且排列良好的链排列，本文制备的生物可降解纤维素（HO-RC）薄膜具有高透光率（91％），优于许多其他商业透明材料。此外，高度有序和致密的内部结构抑制了极化感应电致伸缩，阻碍了外部电场下的电荷注入和传输，有利于防止机电击穿和电击穿。因此，8μm厚的纤维素薄膜（A8）在750 MV m –1下表现出10.39 J cm –3的高能量密度和超过93%的超高效率，并在600 MV m –1下经受住了10,000次循环充放电测量– 1 . 这项工作揭示了通过基底-电介质相互作用对大分子排列的确定性控制，一方面为高性能聚合物电介质行业开辟了一条新的道路。另一方面，这项工作也证实了纤维素在介电储能和应用方面的巨大潜力。
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