近日，中國科學院電工研究所研究員邵濤團隊與合作者突破了國產儲能電容器薄膜性能瓶頸。相關研究成果發表于國際學術期刊《先進材料》。
薄膜電容器是特高壓直流輸電、柔性直流輸電、電磁能裝備的核心儲能器件，雙向拉伸聚丙烯（BOPP）作為薄膜電容器的關鍵材料，具有擊穿電場高、常溫損耗低等優勢，但高溫下BOPP擊穿電場嚴重下降、損耗急劇提升，成為限制薄膜電容器性能的瓶頸。現有研究大多通過無機摻雜、表面噴涂、沉積、接枝等方法，以提升BOPP介電性能，但其常利用化學試劑多步處理，而且可能引入新的界面問題，仍然需要攻克從實驗室到工業應用的難題。
該研究采用氣體放電等離子體高效產生KrCl 222 nm和Xe2 172 nm準分子深紫外光，具有光子能量高、環境友好等優勢，在常壓空氣中直接輻照改性BOPP。作為一種“軟”改性方法，可無損實現BOPP斷鍵、重構，裂解氧分子、產生氧原子，形成熱穩定性更好的C?O鍵，且避免引入新的界面問題。改性后BOPP擊穿電場常溫下提升17%、120 °C下提升52%，常溫下效率大于95%放電密度由4 MJ m-3提升到7.5 MJ m-3。該方法還可以拓展到PET、PEN、PEI等高溫介質薄膜，具有良好的通用性。
為了揭示改性內在機理，研究人員還建立了分辨率達0.5 μm的激光誘導壓力波空間電荷測量方法，原位獲得了改性前后BOPP原樣品的空間電荷分布，發現深紫外光改性可以顯著減少空間電荷量、弱化電場畸變；結合密度泛函理論計算，闡明氧原子引入BOPP鏈后形成深陷阱，限制載流子遷移。
該研究全鏈條深度融合放電等離子體產生與材料改性應用，處理過程不涉及任何化學試劑、不產生高污染副產物，具有一步、通量大、能耗低等優勢，對突破國產儲能電容器薄膜性能瓶頸具有重要意義。目前，團隊正在開展將該技術植入薄膜電容器“卷對卷”生產線的成果轉化。
相關論文信息： https://doi.org/10.1002/adma.202311713