Todos os filmes dielétricos de polímero para obtenção de capacitores de filme de alta densidade de energia por meio da mistura de poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) com politioureia aromática

Resumo

Construir filmes dielétricos com alta densidade de energia e eficiência são o fator chave para fabricar capacitores de filmes dielétricos de alto desempenho. Neste trabalho, um filme composto totalmente orgânico foi construído com base em polímero dielétrico alto e polímero dielétrico linear. Após a reação de policondensação otimizada de um polímero dielétrico linear politioureia aromática (ArPTU), o peso molecular adequado ArPTU foi obtido, o qual foi introduzido em um terpolímero de poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE) para um dielétrico composto. Os resultados indicam que a adição de moléculas de ArPTU reduz a perda dielétrica e melhora a força do campo de degradação do PVDF-TrFE-CFE de forma eficaz. Para o filme composto PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10), a densidade de energia máxima é de cerca de 22,06 J / cm ³ a 407,57 MV / m foi alcançada, e alta eficiência de descarga de cerca de 72% foi apresentada. Este material composto pode ser fundido em substrato flexível facilmente, e filmes compostos orgânicos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com alta densidade de energia, alta resistência de campo de degradação, baixa perda dielétrica e maior eficiência de descarga são obtidos. Esta é uma exploração não relatada sobre filmes dielétricos orgânicos de alta densidade de energia com base em matriz PVDF-TrFE-CFE e dielétricos de polímero linear, e os resultados desta pesquisa podem fornecer um método simples e escalável para a produção de materiais flexíveis de alta densidade de energia para dispositivos de armazenamento de energia.

Introdução

Capacitores de filme dielétrico com alta densidade de energia, baixa perda dielétrica e alta eficiência são necessários para sistemas de energia compactos e confiáveis ​​[1,2,3,4,5,6,7]. Dentre as tecnologias de armazenamento de energia elétrica disponíveis, os capacitores de filme dielétrico têm a maior densidade de potência devido à sua carga ultrarrápida e capacidade de descarga [8, 9]. Materiais dielétricos de armazenamento de energia desempenham um papel vital em capacitores de filme dielétrico, o desempenho de filmes dielétricos decide a maioria do desempenho de capacitores e construção de alta densidade de energia e filmes dielétricos de baixa perda dielétrica estão atraindo a maioria das atenções em pesquisas relacionadas. No entanto, os materiais dielétricos atuais existem no dilema de ter alta densidade de energia e eficiência. Geralmente, os polímeros têm alta intensidade de campo de degradação, mas baixa constante dielétrica [10, 11]. A densidade de energia do polipropileno orientado biaxialmente (BOPP), que é o polímero dielétrico linear amplamente usado hoje, é de apenas 1,2 J / cm ³ , o que está longe das necessidades de aplicação prática. É bem sabido que os materiais cerâmicos têm alta constante dielétrica, mas a intensidade do campo de degradação é muito baixa e o processo de preparação é complicado. Já é comum preencher nanomateriais inorgânicos de alta constante dielétrica em polímeros orgânicos para dielétricos de alta densidade de energia. Porém, em muitos casos, a recombinação dos dois materiais resulta em agregação e adesão interfacial devido à diferença de compatibilidade entre os dois ingredientes, resultando em alta perda dielétrica. Para este fim, novos materiais dielétricos precisam ser procurados e projetados para aumentar ainda mais a densidade de energia dos filmes e dispositivos relacionados.

Comparados com materiais inorgânicos, os polímeros são materiais atrativos que podem ser usados ​​como dielétricos [12,13,14] devido à sua tecnologia de processamento simples e densidade de luz, resultando em filmes leves e flexíveis. Como polímeros dielétricos, o poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) e seus copolímeros têm sido extensivamente estudados para aplicações em capacitores devido ao seu alto campo de quebra e constante dielétrica [15,16,17,18,19]. O alto momento de dipolo da ligação C – F produz um polímero à base de PVDF com constante dielétrica mais alta. Infelizmente, a alta polarização remanescente e a grande perda de histerese de PVDF e seus copolímeros limitam sua aplicação em materiais dielétricos em capacitores. Uma maneira de resolver esse problema é projetar um polímero ferroelétrico relaxado com histerese reduzida, incorporando defeitos estruturais na matriz PVDF. Por exemplo, clorofluoroetileno (CFE) é introduzido em poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno) (PVDF-TrFE) para formar poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno) (PVDF-TrFE-CFE), e um circuito estreito de histerese e alta constante dielétrica são observados [20, 21]. No entanto, os terpolímeros PVDF exibem alta perda dielétrica sob alto campo elétrico [22].

Nos últimos anos, os polímeros dielétricos lineares com grupos polares têm sido utilizados como dielétricos de polímero de alto desempenho devido à alta resistência do campo de degradação e eficiência de descarga. Mais importante, polímeros dielétricos lineares abundantes com diferentes grupos polares podem ser projetados de acordo com o cálculo do primeiro princípio para diferentes aplicações [23]. Entre esses polímeros, a politioureia aromática (ArPTU) foi relatada como um novo polímero dielétrico linear com alta intensidade de campo de degradação (1,0 GV / m) e alta eficiência de carga e descarga (90% a 1,1 GV / m) [24, 25]. Os filmes de polímero aromático ainda exibem uma resposta dielétrica linear sob altos campos elétricos. Ao contrário de outros polímeros não polares, o dipolo aleatório e a estrutura de fase de vidro amorfa de grupos polares em ArPTU podem atuar como uma armadilha, aumentando muito a dispersão de portadores, reduzindo assim a perda de condução em alto campo elétrico. No entanto, o ArPTU é frágil devido aos grupos aromáticos rígidos, tornando-o inadequado para a preparação de filmes de grandes áreas para aplicações de capacitores de filmes dielétricos, especialmente os dispositivos baseados em processamento roll-to-roll. Quanto ao método de preparação do filme, alguns novos métodos, como a impressão 3D, aparecem para uma possível preparação da camada dielétrica [26, 27]. No entanto, ele precisa de mais melhorias antes de ser aplicado ao processo de fabricação de filme, especialmente para dielétricos compostos de grandes áreas.

Neste artigo, a fim de resolver esses problemas, um material dielétrico totalmente orgânico PVDF-TrFE-CFE / ArPTU foi estudado para atingir alta densidade de energia e eficiência. Antes do processo de composição, a influência do peso molecular no desempenho do ArPTU foi investigada em detalhes para encontrar o bom efeito sinérgico entre dois polímeros, e isso forneceria instruções mais valiosas para construir dielétricos de alto desempenho e todos orgânicos com base no dielétrico linear materiais. Então, misturando uma pequena quantidade de ArPTU na matriz PVDF-TrFE-CFE, um método de fundição de solução simples foi utilizado para preparar filmes compostos de grande área e filmes dielétricos compostos com alta densidade de energia e eficiência foram alcançados. Em particular, este polímero composto é fácil de processar, mais leve em peso e menor em custo [28,29,30], o que mostra um futuro promissor como capacitor dielétrico de alto desempenho e aplicações de armazenamento de energia.

Materiais e métodos

Materiais

PVDF-TrFE-CFE 63.2 / 29.7 / 7.1 (mol%) foi adquirido de Piezotech (França). 4,4′-difenilmetanodiamina (MDA) foi adquirido da Aladdin (Shanghai, China), e p -fenileno diisotiocianato (PDTC) foi adquirido na Acros (Bélgica). N -Metilpirrolidona (NMP) foi fornecida por Chengdu Kelong Chemical Company.

Síntese de politioureia e preparação do filme

O ArPTU foi sintetizado pela reação de policondensação. 1,922 g (0,01 mol) de PDTC e 1,982 g (0,01 mol) de MDA foram adicionados a um frasco de fundo redondo de três gargalos previamente carregado com 40 ml de solvente NMP sob um N ₂ atmosfera. Depois de reagir à temperatura ambiente por 6 h, foi lavado com metanol por 3-5 vezes e, em seguida, seco em um forno a vácuo a 60 ° C por 12 h para obter a politioureia. Ao controlar a proporção dos dois monômeros da politioureia sintética, três politioureias de peso molecular diferentes de A, B e C são obtidas.

Os filmes compósitos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções foram preparados pelo método de fundição em solução. Primeiro, a massa pré-calculada de ArPTU e PVDF-TrFE-CFE foi dissolvida separadamente em solvente NMP para formar a solução correspondente e agitada à temperatura ambiente por 4 h. Em seguida, soluções de diferentes proporções de massa foram misturadas separadamente da solução preparada na etapa anterior, e N ₂ foi carregado para evitar a formação de bolhas durante a mistura e agitado à temperatura ambiente durante 6 h. O filme de espessura uniforme foi formado pelo método de fundição em solução na placa de vidro de quartzo limpo, e os filmes compostos foram obtidos por secagem a vácuo a 60 ° C por 12 h.

Teste de desempenho elétrico

Os loops de histerese de campo elétrico de polarização unipolar dos filmes de polímero dielétrico foram adquiridos usando Precision Multiferroic (Radiant) equipado com amplificador 4000 V em temperatura ambiente e uma frequência de 10 Hz. A eficiência do ciclo de carga-descarga em função do campo aplicado foi dada pela relação entre a energia descarregada e a energia elétrica armazenada. A constante dielétrica e a perda dos filmes de polímero dielétrico foram medidas em uma faixa de 100 Hz a 1 MHz em temperatura ambiente com o analisador de impedância (Agilent 4294A). A força do campo de degradação dos filmes de polímero dielétrico foi medida pelo testador de resistência de isolamento de tensão suportável AC e DC (TH9201) em temperatura ambiente. A resistência à degradação dos filmes compostos foi determinada pelas estatísticas de distribuição de Weibull.

Caracterização dos materiais

Microscópio eletrônico de varredura (SEM, Hitachi S-4800) foi usado para observar a morfologia da superfície dos filmes de polímero dielétrico. As curvas de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) dos filmes de polímero dielétrico foram observadas por espectrômetro FTIR (8400S, Shimadzu) na faixa de 400 a 4000 cm ^-1 . Os padrões de difração de raios-X (XRD) dos filmes de polímero dielétrico foram registrados por um difratômetro de pó de raios-X (X’Pert Pro, Panalytical) usando radiação Cu Kα.

Resultados e discussões

Propriedades dielétricas de filmes ArPTU de peso molecular diferente

O peso molecular mostra uma influência distinta no desempenho físico do ArPTU, especialmente no desempenho dielétrico e na processabilidade. Ao controlar as condições da reação de policondensação, especialmente a razão dos dois monômeros, ArPTU com peso molecular diferente foram sintetizados, conforme mostrado na Tabela 1 (A, B e C são politioureias sintetizadas pela razão molar PDTC / MDA (1/1) , PDTC / MDA (0,95 / 1) e PDTC / MDA (1,05 / 1)). Ao ajustar a razão molar dos dois monômeros MDA e PDTC, o peso molecular médio ponderal e o peso molecular médio numérico de três ArPTU diminuíram sucessivamente na ordem de A> B> C. A Figura 1 mostra a constante dielétrica e a perda dielétrica de diferentes moléculas peso dos filmes ArPTU em função da frequência. Pode ser visto que a constante dielétrica de filmes de ArPTU de peso molecular diferente diminui com o aumento da frequência. Isso ocorre porque a molécula de ArPTU tem um grupo polar-grupo tioureia, e os dipolos girando a polarização nas moléculas contribuem muito para a constante dielétrica. Com o aumento da frequência de teste, a contribuição da polarização de direção dipolo diminui [31]. Especialmente em alta frequência, a velocidade de direção do dipolo não consegue acompanhar a mudança do campo elétrico, resultando na diminuição da constante dielétrica com o aumento da frequência de teste.

A constante dielétrica e a perda dielétrica de diferentes filmes de ArPTU de peso molecular (A, B e C são politioureias sintetizadas pela razão molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0,95 / 1) e PDTC / MDA (1,05 / 1))

Na frequência de teste de 1000 Hz, a constante dielétrica de diferentes filmes de ArPTU de peso molecular diminui na ordem de A (4,55)> B (4.15)> C (4.10), o que é consistente com a ordem de peso molecular dos três ArPTU . A razão para este fenômeno pode resultar da orientação coordenada do dipolo da camada limite do grão ArPTU em polímeros de grande peso molecular [32, 33]. Nessa estrutura molecular, o segmento molecular da camada limite do grão da ArPTU não apenas mantém as características de alinhamento das moléculas da região cristalina, mas também não é limitado pela rede da rede. Portanto, nos filmes de ArPTU, quanto maior a fração de volume da camada limite de grão, maior a constante dielétrica. O filme ArPTU de alto peso molecular contendo mais moléculas de cadeia longa e a camada limite do grão também ocupará mais volume, resultando em uma constante dielétrica mais alta.

Como mostrado na (Fig. 1), a perda dielétrica de filmes de ArPTU de peso molecular diferente diminui primeiro e depois aumenta com o aumento da frequência de teste. No domínio de 100-10.000 Hz, a condutância do íon DC diminui com o aumento da frequência de teste, resultando em uma diminuição na perda dielétrica. Quando a frequência de teste é superior a 10.000 Hz, o relaxamento dipolo faz com que a perda dielétrica aumente com o aumento da frequência de teste [34]. Obviamente, as curvas de perda dielétrica das três amostras não são muito diferentes, mas há apenas uma pequena diferença na região de alta frequência. Em outras palavras, o peso molecular do ArPTU tem pouco efeito na perda dielétrica dos filmes de ArPTU.

A eficiência de carga-descarga de filmes de ArPTU de peso molecular diferente pode ser calculada medindo os loops de histerese de campo elétrico de polarização unipolar, como mostrado na (Fig. 2). A eficiência de carga-descarga diminui com o aumento do campo elétrico aplicado. Em comparação com o filme ArPTU de alto peso molecular, a eficiência de carga-descarga do filme ArPTU de baixo peso molecular diminui a uma taxa mais lenta. Sob o campo elétrico de 2.000 KV / cm, a eficiência de carga-descarga de filmes de ArPTU de peso molecular diferente aumentou na ordem de A (83,35%)

A eficiência de carga-descarga de diferentes filmes de ArPTU de peso molecular (A, B e C são politioureias sintetizadas pela razão molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0,95 / 1) e PDTC / MDA (1,05 / 1))

A Figura 3 são as curvas de XRD de filmes ArPTU de diferentes pesos moleculares. Os filmes de ArPTU com diferentes pesos moleculares têm picos de difração de raios-X relativamente amplos a 2θ ≅ 22 °, e a intensidade dos picos diminui com o aumento do peso molecular. Isso ocorre porque a ArPTU tem uma estrutura amorfa, e o filme de ArPTU de maior peso molecular contém mais moléculas de cadeia longa, resultando em uma região amorfa maior. Consequentemente, a cristalinidade em filmes de polímero diminuiu, o que resulta no enfraquecimento do pico de difração [35, 36].

As curvas de XRD de diferentes filmes de ArPTU de peso molecular (A, B e C são politioureias sintetizadas pela razão molar PDTC / MDA (1/1), PDTC / MDA (0,95 / 1) e PDTC / MDA (1,05 / 1) )

Caracterização de filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

A Figura 4 mostra a morfologia da superfície de ArPTU, PVDF-TrFE-CFE e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (SEM). Pode-se observar que a superfície do filme de PVDF-TrFE-CFE apresenta uma estrutura dendrítica, indicando sua alta cristalinidade, que consiste nos resultados de DRX. O filme ArPTU mostra uma superfície de filme muito lisa e algumas pequenas partículas aparecem na superfície do filme composto de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10). Obviamente, os domínios de PVDF-TrFE-CFE foram reduzidos pela combinação de ArPTU, que também consiste nos dados de XRD.

Imagem SEM de diferentes filmes. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5)

As curvas FTIR de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de massa de ArPTU são mostradas na (Fig. 5a). As curvas FTIR mostram que os filmes compostos com diferentes proporções têm picos de absorção óbvios a 1230 cm ^-1 , resultante do grupo -HN-CS-NH- na politioureia, o que prova a existência de ArPTU nos filmes compósitos. As curvas de XRD de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de composição são mostradas na (Fig. 5b). Pode ser visto que o filme PVDF-TrFE-CFE e os filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU têm picos característicos óbvios a 2θ ≅ 19,72 °, e este pico é um pico de difração característico da fase β (110) e ( 200) planos de cristal. A intensidade do pico de difração diminui com o aumento do conteúdo de ArPTU, o que significa que a cristalinidade do filme composto diminui com o aumento do conteúdo de ArPTU. Além disso, o filme PVDF-TrFE-CFE e o filme PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5) têm um pico de difração mais fraco em 2θ ≅ 17,56 °, e este pico é o pico de difração característico da fase α (020) plano de cristal. Quando a fração de massa de ArPTU atinge mais de 10%, o pico de cristalização da fase α dos filmes compósitos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU enfraquece, indicando que os filmes compósitos se transformam em um estado amorfo lentamente com o aumento do componente ArPTU.

a As curvas FTIR de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de compostos. b As curvas de XRD de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de compostos

Propriedades dielétricas de filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

Com base nos resultados acima, a amostra B de ArPTU, que possui maior constante dielétrica e eficiência de descarga, foi escolhida para preparar filmes dielétricos compostos com PVDF-TrFE-CFE. Primeiramente, para estudar a influência do ArPTU na propriedade dielétrica da matriz PVDF-TrFE-CFE, espectros de frequência dielétrica na faixa de 100 Hz a 1 MHz foram caracterizados em temperatura ambiente. Conforme apresentado na (Fig. 6a), pode ser visto que a constante dielétrica dos filmes compostos diminui gradualmente à medida que o conteúdo de ArPTU aumenta. Os filmes compostos têm constantes dielétricas de 35,72, 30,02 e 28,37 nas relações 95/5, 90/10 e 85/15 em 1000 Hz, respectivamente. A constante dielétrica reduzida dos filmes compostos é devido à adição de baixa constante dielétrica ArPTU. Ao mesmo tempo, com o aumento da quantidade de adição de ArPTU, a dependência da freqüência da constante dielétrica dos filmes compostos diminui. Isso ocorre porque as unidades de tiouréia no ArPTU interagem com a matriz PVDF-TrFE-CFE, o que limita a rotação dos dipolos em PVDF-TrFE-CFE [37].

a Constante dielétrica de filmes compostos ArPTU, PVDF-TrFE-CFE e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU. b Perda dielétrica de filmes compostos de ArPTU, PVDF-TrFE-CFE e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

A Figura 6b mostra a relação entre a perda dielétrica e a frequência dos filmes compostos com diferentes proporções de ArPTU. Pode-se ver que a perda dielétrica de todos os filmes compostos é menor do que o filme PVDF-TrFE-CFE, indicando que a adição de moléculas de ArPTU pode reduzir a perda dielétrica do PVDF-TrFE-CFE de forma eficaz. Isso é atribuído à unidade de tioureia na politioureia aumentando o espaço interplanar, e os dipolos na cadeia do polímero têm mais espaço para girar livremente, o que limita o relaxamento dipolo efetivamente. Uma vez que a perda dielétrica em altas frequências vem principalmente do relaxamento dipolar, os resultados indicam novamente que os grupos de tioureia em ArPTU podem confinar o relaxamento dipolar [37, 38].

A força do campo de decomposição dos filmes dielétricos é outro parâmetro importante para aplicações práticas de capacitores. A intensidade do campo de decomposição dos filmes compostos com diferentes proporções de ArPTU é caracterizada pelas estatísticas de distribuição de Weibull, que são mostradas na (Fig. 7). Para filmes ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (85/15), a força do campo de decomposição calculada pela distribuição Weibull foi 467,5 MV / m, 324,6 MV / m, 366,9 MV / m, 407,6 MV / m e 302,4 MV / m, respectivamente. Ele revela que, em comparação com o filme PVDF-TrFE-CFE, a força do campo de decomposição dos filmes compostos é significativamente melhorada pela introdução de ArPTU, e quanto mais conteúdo de ArPTU contiver, maior será a intensidade do campo de decomposição do filme composto. A adição de ArPTU aumenta o espalhamento elétron-fônon e o espalhamento elétron-dipolo nos filmes compostos, o que resulta em um campo de degradação melhorado significativamente [38]. No entanto, quando o teor de ArPTU é aumentado para 15%, a intensidade do campo de degradação do compósito reduz, o que pode ser devido ao fenômeno de delaminação de dois polímeros, resultando em mais defeitos no compósito e na redução da intensidade do campo de degradação em conformidade. Conseqüentemente, a adição adequada de ArPTU melhorará a resistência do campo de degradação de filmes PVDF-TrFE-CFE dielétricos de alta eficiência.

Análise de Weibull de filmes compostos de ArPTU, PVDF-TrFE-CFE e PVDF-TrFE-CFE / ArPTU

Os loops de histerese de campo elétrico de polarização unipolar de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de ArPTU são mostrados na (Fig. 8). A polarização máxima dos filmes compostos diminui com o aumento do conteúdo de ArPTU. A polarização residual dos filmes compostos com três proporções diferentes diminui em relação ao filme PVDF-TrFE-CFE, indicando que a adição de moléculas de ArPTU pode inibir efetivamente a saturação de polarização precoce de PVDF-TrFE-CFE, resultando em maior eficiência de descarga de carga .

Loops de histerese de campo elétrico de polarização unipolar. a 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)

Em aplicações práticas, a eficiência de carga-descarga é outro parâmetro característico importante dos materiais dielétricos devido à perda de energia que sempre leva ao aquecimento e prejudica o desempenho e a confiabilidade do capacitor. A Figura 9 mostra a eficiência de carga-descarga dos filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de ArPTU. A força de campo aplicada do filme PVDF-TrFE-CFE aumentou de 500 para 2.000 KV / cm, e a eficiência de carga-descarga diminuiu de 77 para 58%, principalmente devido à perda de histerese ferroelétrica sob alto campo elétrico. A eficiência de carga-descarga de filmes compostos com diferentes proporções de ArPTU é significativamente maior do que a do filme PVDF-TrFE-CFE. O filme PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) mantém uma eficiência de carga-descarga de 72% em um campo elétrico de 2.000 KV / cm. A 2.000 KV / cm, o composto mostra uma alta densidade de energia com 5,31 J / cm ³ , que é muito maior do que os filmes BOPP para uso prático. A adição de ArPTU altera a estrutura molecular do PVDF-TrFE-CFE e inibe o PVDF-TrFE-CFE de atingir a saturação de polarização prematuramente. Também foi descoberto que a proporção de adição adequada de ArPTU mostra uma influência distinta na eficiência de carga-descarga de filmes compostos. O composto de proporção 85/15 tem uma eficiência de carga-descarga relativamente baixa devido ao alto teor de ArPTU, que pode resultar do fenômeno de delaminação de dois polímeros.

Eficiência de carga-descarga de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de compostos

A densidade de energia de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de compostos é mostrada na Fig. 10a. A melhoria da densidade de armazenamento dos filmes compostos em relação ao filme ArPTU consiste no resultado do desempenho da constante dielétrica dos filmes compostos. Pode-se ver que, em comparação com o filme ArPTU puro, os filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU têm densidade de energia mais alta no mesmo campo elétrico devido à constante dielétrica aprimorada. A densidade de energia máxima do filme PVDF-TrFE-CFE em filme composto PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) tem uma densidade de armazenamento de 22,06 J / cm ³ a 4076 KV / cm. Comparado com filmes compostos PVDF-TrFE-CTFE / ArPTU (19,2 J / cm ³ ) [37], o filme em nosso trabalho mostra maior densidade de armazenamento de energia. Embora os filmes em nosso trabalho mostrem uma tensão de ruptura ligeiramente mais baixa, uma constante dielétrica mais alta garante um grande aprimoramento da densidade de armazenamento de energia. Portanto, uma compensação de resistência à ruptura e constante dielétrica deve ser considerada ao construir filmes compostos de alta densidade de energia. Além disso, considerando a densidade de energia de descarga, nosso trabalho também indica alta competitividade com a maior densidade de energia de descarga, que é mostrada na Fig. 10b. Em comparação com os filmes compostos orgânicos-inorgânicos, os filmes compostos orgânicos podem melhorar a densidade de armazenamento de energia e a eficiência do filme de forma mais eficiente e são viáveis ​​em aplicações práticas para a fabricação de dispositivos roll-to-toll [41, 42]. Ao todo, ao controlar o peso molecular e a taxa de adição de ArPTU de forma adequada, dielétricos orgânicos de alto desempenho baseados em PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com alta densidade de energia, alta força de campo de degradação, baixa perda dielétrica e maior eficiência de descarga de carga podem ser construído. Este filme de polímero de alto desempenho provou ser materiais dielétricos promissores para aplicações de capacitores de filme de alta densidade.

a A densidade de energia de filmes compostos de PVDF-TrFE-CFE / ArPTU com diferentes proporções de compostos. b Comparando a densidade de energia de descarga de nossos trabalhos com trabalhos relatados [39, 40]

Conclusão

O ArPTU foi introduzido no PVDF-TrFE-CFE / ArPTU para preparar filmes dielétricos compostos por meio de um método de fundição em solução. Comparado com o filme PVDF-TrFE-CFE, os filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU têm maior força de campo de degradação, maior carga e eficiência de descarga e menor perda dielétrica. Uma maior intensidade do campo de decomposição significa um aumento na densidade de armazenamento de energia. O filme composto PVDF-TrFE-CFE / ArPTU (90/10) tem uma densidade de armazenamento de 22,06 J / cm ³ a 407,57 MV / m. A melhoria nas propriedades dielétricas dos filmes compostos está relacionada a mudanças na estrutura cristalina. As excelentes propriedades dielétricas e o processo de preparação simples dos filmes compostos PVDF-TrFE-CFE / ArPTU tornam-no um importante avanço na pesquisa para futuros materiais dielétricos e uma perspectiva de aplicação promissora para dispositivos de armazenamento de energia.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os conjuntos de dados são apresentados no artigo principal ou nos arquivos de suporte adicionais.

Abreviações

AC:

Corrente alternada

ArPTU:

Politioureia aromática

BOPP:

Polipropileno orientado biaxialmente

CFE:

Clorofluoroetileno

DC:

Corrente direta

MDA:

4,4′-difenilmetanodiamina

NMP:

N -Metilpirrolidona

PDTC:

p -Diisotiocianato de fenileno

PVDF:

Fluoreto de polivinilideno)

PVDF-TrFE:

Poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno)

PVDF-TrFE-CFE:

Poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno)

PVDF-TrFE-CTFE:

Poli (fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorotrifluoroetileno)

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