华中科技大学 刘洋/周华民教授 AFM: 氰乙基生物质聚合物的超高能量密度

介电聚合物对现代电子和电气系统中广泛使用的电容器至关重要。大多数有用的介电聚合物都来自石油，而环境可持续的电介质生物质虽然资源丰富、可再生且成本效益高，但大多仍未得到开发。本文报道了用氰乙基取代纤维素和普鲁兰的羟基，获得了氰乙基纤维素(CEC)和氰乙基普鲁兰(CEP)的超高能量密度。由于氰乙基具有强极性，CEC和CEP的介电常数分别达到16.7和20.0，可与高介电铁电聚合物媲美。CEC和CEP的介电常数几乎没有随着电场的增加而降低，处于早期极化饱和状态，从而提高了能量密度，这一点与弛豫铁电聚合物不同。因此，溶液可加工CEP薄膜在600 MV m−1下具有28.2 J cm−3的超高放电能量密度和72%的效率，优于其他全有机介电生物质材料。这项工作为开发用于储能应用的高性能介电生物质铺平了道路。

图文简介

a) CEC 和 b) CEP 的化学结构和分子式。c) 氰乙基增强CEC和CEP疏水性的示意图。

a) CEC、CEP、PVDF及其共聚物薄膜在25 °C时介电常数与频率的关系。b) CEC, CEP, PVDF及其共聚物薄膜在25 °C时的介电损耗随频率的关系。c)温度相关介电常数和d) CEC, CEP, PVDF及其共聚物薄膜在1 khz时的介电损耗。

a) 200 MV m−1下的单极P-E环;b) CEC、CEP、PVDF及其共聚物薄膜在200 MV m−1下的剩余极化(Pr)和最大极化(Pm)与Pr之比。c) CEC和CEP薄膜击穿强度的Weibull图。d)有效介电常数随电场的变化;e) CEC、CEP、PVDF及其共聚物薄膜在25°C和100 Hz下的放电能量密度和充放电效率。f) CEC、CEP和最近报道的介质膜。

a) 200 MV m−1下CEC膜和CEP膜的能量密度和能量效率的循环稳定性。b) CEC和c) CEP的200 MV m−1放电能量密度和Weibull击穿强度的不同区域(如图所示)。d)负载电阻为100 kΩ，电场为200 MV m−1时CEC、CEP和BOPP膜的放电能量密度随时间的函数。

论文信息

通讯作者： Yang Liu, Huamin Zhou