中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)電子材料研究中心于淑會(huì)團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院微電子研究所曹立強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用于高溫能量存儲(chǔ)的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜材料制備取得進(jìn)展。相應(yīng)成果“Elaborately fabricated polytetrafluoroethylene film exhibiting superior high-temperature energy storage performance(應(yīng)用于高溫能量存儲(chǔ)的 PTFE 薄膜材料的制備)”于 2020 年 12 月發(fā)表在Applied Materials Today上。

在眾多能量存儲(chǔ)材料中，電介質(zhì)儲(chǔ)能材料因其獨(dú)特的充放電機(jī)制，可以在微秒內(nèi)完成非?？焖俚某浞烹?，表現(xiàn)出很高的功率密度，已在電子和電力行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。但一直困擾相關(guān)研究者的問(wèn)題是，電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)能密度非常低，需要通過(guò)使用大量的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)其工作時(shí)能量密度的需求。此外，隨著器件集成度和功率的增加，電介質(zhì)材料所處工作環(huán)境溫度不斷地增加，電容器充放電效率的進(jìn)一步降低，使得能夠釋放的能量密度更低，故提高電介質(zhì)材料在高溫條件下的儲(chǔ)能密度和放電效率變得越來(lái)越重要。 該研究采用 PTFE(聚四氟乙烯)乳液，旋涂于銅箔表面，經(jīng)過(guò)熱處理后形成 PTFE 薄膜。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真相結(jié)合，對(duì)薄膜的成型工藝與介電儲(chǔ)能性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

結(jié)果顯示：(1)與儲(chǔ)能密度直接相關(guān)的電擊穿強(qiáng)度與薄膜表面的粗糙度相關(guān)，其中材料表面越平整，則擊穿強(qiáng)度越高。(2)當(dāng)溫度低于 150 ℃ 時(shí)，PTFE 薄膜的介電儲(chǔ)能特性基本不受溫度影響；當(dāng)溫度高于 150 ℃ 時(shí)，PTFE 薄膜的介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度略有降低，但 200 ℃ 儲(chǔ)能效率依然高于 90%。(3)PTFE 薄膜在室溫到 200 ℃ 溫度范圍內(nèi)都具有非常好的自修復(fù)特性，其主要原因是 PTFE 薄膜表面光滑，在電擊穿過(guò)程產(chǎn)生的電場(chǎng)力大于 PTFE 與金電極之間的結(jié)合力，使得電擊穿位置的金電極從 PTFE 表面剝離，斷開(kāi)了擊穿區(qū)域與其他正常區(qū)域的電連接，這種“局部犧牲”保證了材料可以繼續(xù)使用。(4)在 200 ℃ 時(shí)，PTFE 薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的介電儲(chǔ)能特性：擊穿強(qiáng)度～350 kV/mm，充放電效率 94%，放電能量密度 1.08 J/cm3，放電時(shí)間 2.95 μs，功率密度 0.72 MW/cm3。而當(dāng)前商用的 BOPP(雙向拉伸聚丙烯膜)最高使用溫度只有 105 ℃。

該研究進(jìn)一步解決 PTFE 薄膜的大尺寸連續(xù)制備技術(shù)，將可在具有高溫應(yīng)用需求的電子電力器件中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

聚四氟乙烯高溫能量存儲(chǔ)薄膜材料[1]

[1] Luo SB, Yu JY, Ansari TQ, et al. Elaborately fabricated polytetrafluoroethylene film exhibiting superior high-temperature energy storage performance [J]. Applied Materials Today, 2020, 21: 100882.