中國科學院深圳先進技術研究院先進電子材料研究中心于淑會團隊與中國科學院微電子研究所曹立強團隊在應用于高溫能量存儲的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜材料制備取得進展。相應成果“Elaborately fabricated polytetrafluoroethylene film exhibiting superior high-temperature energy storage performance(應用于高溫能量存儲的 PTFE 薄膜材料的制備)”于 2020 年 12 月發(fā)表在Applied Materials Today上。

在眾多能量存儲材料中，電介質(zhì)儲能材料因其獨特的充放電機制，可以在微秒內(nèi)完成非?？焖俚某浞烹?，表現(xiàn)出很高的功率密度，已在電子和電力行業(yè)中具有廣泛的應用。但一直困擾相關研究者的問題是，電介質(zhì)儲能材料的儲能密度非常低，需要通過使用大量的材料來實現(xiàn)其工作時能量密度的需求。此外，隨著器件集成度和功率的增加，電介質(zhì)材料所處工作環(huán)境溫度不斷地增加，電容器充放電效率的進一步降低，使得能夠釋放的能量密度更低，故提高電介質(zhì)材料在高溫條件下的儲能密度和放電效率變得越來越重要。 該研究采用 PTFE(聚四氟乙烯)乳液，旋涂于銅箔表面，經(jīng)過熱處理后形成 PTFE 薄膜。通過將實驗結果與模擬仿真相結合，對薄膜的成型工藝與介電儲能性能之間的關系進行研究。

結果顯示：(1)與儲能密度直接相關的電擊穿強度與薄膜表面的粗糙度相關，其中材料表面越平整，則擊穿強度越高。(2)當溫度低于 150 ℃ 時，PTFE 薄膜的介電儲能特性基本不受溫度影響；當溫度高于 150 ℃ 時，PTFE 薄膜的介電常數(shù)和擊穿強度略有降低，但 200 ℃ 儲能效率依然高于 90%。(3)PTFE 薄膜在室溫到 200 ℃ 溫度范圍內(nèi)都具有非常好的自修復特性，其主要原因是 PTFE 薄膜表面光滑，在電擊穿過程產(chǎn)生的電場力大于 PTFE 與金電極之間的結合力，使得電擊穿位置的金電極從 PTFE 表面剝離，斷開了擊穿區(qū)域與其他正常區(qū)域的電連接，這種“局部犧牲”保證了材料可以繼續(xù)使用。(4)在 200 ℃ 時，PTFE 薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的介電儲能特性：擊穿強度～350 kV/mm，充放電效率 94%，放電能量密度 1.08 J/cm3，放電時間 2.95 μs，功率密度 0.72 MW/cm3。而當前商用的 BOPP(雙向拉伸聚丙烯膜)最高使用溫度只有 105 ℃。

該研究進一步解決 PTFE 薄膜的大尺寸連續(xù)制備技術，將可在具有高溫應用需求的電子電力器件中實現(xiàn)應用。

聚四氟乙烯高溫能量存儲薄膜材料[1]

[1] Luo SB, Yu JY, Ansari TQ, et al. Elaborately fabricated polytetrafluoroethylene film exhibiting superior high-temperature energy storage performance [J]. Applied Materials Today, 2020, 21: 100882.