Polyimide composites crosslinked by aromatic molecules for high-temperature capacitive energy storage

聚酰亚胺 材料科学 电介质 复合材料 电容器 热传导 聚合物 热导率 介电强度 光电子学 电压 图层(电子) 工程类 电气工程
作者
Feng Wang,Hao Wang,Xiaoming Shi,Chunli Diao,Chaolong Li,Weikun Li,Xu Liu,Haiwu Zheng,Houbing Huang,Xiaoguang Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:485: 149972-149972 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.149972
摘要

High-temperature polymer-based dielectric capacitors are crucial for application in electronic power systems. However, the storage performance of conventional dielectrics polymer dramatically deteriorates due to the thermal breakdown under concurrent high temperatures and electric fields, and there are hardly reports on the causes of thermal breakdown from the aspects of the high-temperature conduction loss and Joule heat dissipation. Herein, a combined strategy of crosslinking and compositing for polyimide-based composites is proposed, which minimizes the thermal breakdown by significantly inhibiting the high-temperature conduction loss and enhancing the thermal conductivity. Furthermore, the rationale of the strategy was theoretically and experimentally verified from multiple perspectives. The charge-trapping effect is directly observed by Kelvin probe force microscopy probed (KPFM) with nano-level resolution and quantitatively by thermally stimulated depolarization current measurements, indicating that the crosslinking network introduces local deep traps and effectively suppresses the charge transport. The thermal conductivity of the composites inhibits the high-temperature thermal breakdown, which is confirmed by phase-field simulations. Consequently, the optimized composites possess an ultra-high discharge energy density (Ud) of 5.45 J/cm3 and 3.54 J/cm3 with a charge–discharge efficiency (η) of 80 % at 150 and 200 °C, respectively, which outperforms the reported polyimide-based dielectric composites. This work provides a scalable direction for high-temperature polymer-based capacitors with excellent performance.
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