Dielectric nanocomposites with superb high-temperature capacitive performance based on high intrinsic dielectric constant polymer

电介质 材料科学 电容感应 高-κ电介质 纳米复合材料 聚合物纳米复合材料 聚合物 复合材料 光电子学 电气工程 工程类
作者
Ding Ai,Yuan Chang,Haoliang Liu,Chenglong Wu,Yao Zhou,Yuting Han,Hao Yu,Bing Xiao,Yonghong Cheng,Guanglei Wu,Zirui Jia
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (9): 8504-8512 被引量:24
标识
DOI:10.1007/s12274-024-6793-0
摘要

Advancements in power electronics necessitate dielectric polymer films capable of operating at high temperatures and possessing high energy density. Although significant strides have been achieved by integrating inorganic fillers into high-temperature polymer matrices, the inherently low dielectric constants of these matrices have tempered the magnitude of success. In this work, we report an innovative nanocomposite based on sulfonylated polyimide (SPI), distinguished by the incorporation of sulfonyl groups within the SPI backbone and the inclusion of wide bandgap hafnium dioxide (HfO2) nanofillers. The nanocomposite has demonstrated notable enhancements in thermal stability, dielectric properties, and capacitive performance at elevated temperatures. Detailed simulations at both molecular and mesoscopic levels have elucidated the mechanisms behind these improvements, which could be attributed to confined segmental motion, an optimized electronic band structure, and a diminished incidence of dielectric breakdown ascribed to the presence of sulfonyl groups. Remarkably, the SPI-HfO2 nanocomposite demonstrates a high charge-discharge efficiency of 95.7% at an elevated temperature of 150 °C and an applied electric field of 200 MV/m. Furthermore, it achieves a maximum discharged energy density of 2.71 J/cm3, signalling its substantial potential for energy storage applications under extreme conditions.
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