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PEI基有机-无机复合薄膜制备及高温储能性能研究

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PEI基有机-无机复合薄膜制备及高温储能性能研究

作者：林谦宁波大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,电介质电容器不仅要面对如何提升储能性能的问题,也要满足高温环境中的应用。一些具有高玻璃化转变温度的高温聚合物电介质被广泛关注。这些高温聚合物具有一定的耐热性,但是它们的介电常数相对较低,并且在高温高电... 详细信息

随着科学技术的发展,电介质电容器不仅要面对如何提升储能性能的问题,也要满足高温环境中的应用。一些具有高玻璃化转变温度的高温聚合物电介质被广泛关注。这些高温聚合物具有一定的耐热性,但是它们的介电常数相对较低,并且在高温高电场下漏电流较大,这极大限制储能性能的提升。对此,将宽禁带、高热传导率的无机纳米电介质材料与高温聚合物复合以求实现性能优化。尽管以上方法能够有效减小高温漏电流,提升击穿场强,但是它们对复合电介质介电常数与极化的提升有限。此外,过多的无机纳米填料以及基底与纳米填料界面电场畸变进一步限制了复合电介质高温储能性能的提升。针对以上问题,本文将主要通过无机填料体积分数控制、微观界面结构设计,以及构造双层复合结构这三方面对聚合物基复合电介质高温储能性能的提升进行细致的研究。本文以具有极大应用潜力的高温聚合物聚醚酰亚胺（PEI）为聚合物基底,首先将其与导热性好、禁带宽度大的AlO纳米纤维复合。研究结果表明通过对AlO纳米纤维体积分数的调节,在1.0 vol.%的低体积分数下能最有效提升储能性能和热稳定性,在150℃时能维持90%以上的充放电效率。其次,为了打破极化和击穿场强无法协同提升的悖论,实现储能性能的高效提升,在AlO纳米纤维引入Ag纳米颗粒（x wt.%Ag@AlO NFs）,再与聚醚酰亚胺复合制备得到x wt.%Ag@AlO/PEI。在不改变无机纳米填料体积分数的前提下,通过调节Ag纳米颗粒的质量分数优化纳米纤维内部界面极化与界面势垒耦合效应。研究发现Ag纳米颗粒的含量为0.50 wt.%时,该填料结构在保持了复合薄膜热稳定性的同时还能大幅度提升复合薄膜的高温储能性能,0.50 wt.%Ag@AlO/PEI复合薄膜的储能密度和充放电效率分别在25℃时为6.9 J/cm,94.7%,150℃时为6.1 J/cm,89.2%。最后,综合上述两个工作的优势,构建含有抵抗击穿路径延伸的承压层和提供极化作用的极化层的（x vol.%AlO NFs-Ag@AlO）/PEI双层复合薄膜,通过调节承压层中AlO纳米纤维体积分数来调节双层之间的介电差异,进一步优化界面势垒和界面极化耦合效应。当x=1时,双层复合薄膜的储能密度和充放电效率分别在25℃为9.8 J/cm和92.8%,在150℃时为9.3 J/cm和85.7%。

关键词：充放电效率高温储能复合薄膜纳米纤维

聚醚酰亚胺基复合介质的结构设计与高温储能性能研究

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聚醚酰亚胺基复合介质的结构设计与高温储能性能研究

作者：杨连印哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

聚合物薄膜电容器具有功率密度大、安全性高、绝缘性好等优点而在电气工程领域具有广泛应用。然而,在强电场或高温等极端条件下,聚合物介质薄膜的储能性能严重劣化,改善储能介质的高温性能已成为领域内的研究热点。本文选择具有线性极... 详细信息

聚合物薄膜电容器具有功率密度大、安全性高、绝缘性好等优点而在电气工程领域具有广泛应用。然而,在强电场或高温等极端条件下,聚合物介质薄膜的储能性能严重劣化,改善储能介质的高温性能已成为领域内的研究热点。本文选择具有线性极化性质的聚醚酰亚胺(PEI)薄膜作为基本储能单元,通过聚合物薄膜的结构设计优化来降低高温电导损耗,进而改善高温储能性能。选择宽禁带氮化硼纳米片(BNNS)和氧化镁(MgO)作为无机功能填料,改善PEI基复合介质的高温储能性能。采用溶液流延法制备不同填料含量的PEI/BN、PEI/MgO复合介质。利用宽禁带无机填料与聚合物基体形成的界面势垒而引入电荷陷阱,进而降低高温电导损耗并改善储能性能。当施加410 MV/m电场和150℃条件下,MgO掺杂含量为5 wt%的复合介质的最大放电能量密度为2.77 J/cm,同时充放电效率保持在90%以上。通过引入无机势垒中间层而构筑具有三明治结构的PEI/势垒层/PEI复合介质。采用逐层溶液流延法制备了含有宽禁带无机绝缘层的PEI/BN/PEI、PEI/MgO/PEI复合介质。通过调控BN或MgO无机绝缘层厚度,发现无机绝缘中间层能够阻碍电荷在介质体内输运,显著降低高温电导损耗,提升储能性能。当施加510 MV/m电场和150℃条件下,PEI/MgO/PEI复合介质的最大放电能量密度达4.13 J/cm,且充放电效率高于90%。利用在PEI薄膜表面生长无机势垒层,抑制金属电极电荷注入,进而降低高温电导损耗。采用磁控溅射技术在PEI薄膜表面生长宽禁带二氧化硅(SiO)势垒层,获得具有不同SiO膜层厚度的SiO/PEI/SiO复合介质。在电极/介质界面生长SiO薄膜能够提高电荷注入势垒,抑制高温电导损耗。当溅射时间为2小时,SiO薄膜厚度约为125 nm,SiO/PEI/SiO复合介质的最大放电能量密度达2.96 J/cm,充放电效率保持在90%以上。

关键词：填充相势垒层复合介质电导损耗高温储能

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高温储能电池合金研究

电源技术 2018年第12期42卷 1882-1884页

作者：刘大虎郑睿鹏唐胜群王玉莹张进宇生态环境部核与辐射安全中心北京100000 淄博火炬能源有限责任公司山东淄博255056

通过调整铅合金中钙与锡的含量,测试各个合金样品的腐蚀速率、时效硬化情况、金相结构和电化学性能,发现锡与钙的比值为30时(3#样品),腐蚀速率最小。钙含量高的样品时效硬化时间短,但不利于合金的耐腐蚀性,发现钙含量低的样品容易氧化... 详细信息

通过调整铅合金中钙与锡的含量,测试各个合金样品的腐蚀速率、时效硬化情况、金相结构和电化学性能,发现锡与钙的比值为30时(3#样品),腐蚀速率最小。钙含量高的样品时效硬化时间短,但不利于合金的耐腐蚀性,发现钙含量低的样品容易氧化成硫酸铅,锡的存在能够抑制该过程的进行,通过研究能够改善高温储能电池板栅合金的耐腐蚀性能。

关键词：高温储能合金时效硬化腐蚀电化学性能

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分子半导体改性聚合物复合电介质研究进展

高分子通报 2024年第7期37卷 868-877页

作者：刘芾源佟辉曹诗沫臧丽坤北京科技大学化学与生物工程学院北京100083 中国科学院电工研究所微纳加工技术与智能电气设备研究部北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

薄膜电容器因具有功率密度高、损耗低、循环寿命长、安全环保等特点而被广泛应用于智能电网、风力发电、电动汽车、脉冲功率系统等领域。电介质是决定薄膜电容器性能的关键,但材料中的缺陷、杂质等在高温、高电场下产生泄漏电流,使薄膜... 详细信息

薄膜电容器因具有功率密度高、损耗低、循环寿命长、安全环保等特点而被广泛应用于智能电网、风力发电、电动汽车、脉冲功率系统等领域。电介质是决定薄膜电容器性能的关键,但材料中的缺陷、杂质等在高温、高电场下产生泄漏电流,使薄膜电容器的储能性质急剧降低,难以在热、电耦合场下获得高能量密度。向聚合物电介质中引入微量有机分子半导体的改性方式可使电介质中产生能量陷阱捕获载流子、抑制泄漏电流,从而降低电导损耗,提高充放电效率。本文综述了通过向聚合物基体中引入有机分子半导体提升电介质高温储能性质的方法,讨论了有机小分子半导体、聚合物分子半导体改性对储能性质的影响机制,并展望了相关领域未来的发展方向。

关键词：有机小分子半导体聚合物分子半导体复合电介质泄漏电流高温储能

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含氮化硼势垒层的三明治结构复合介质储能特性研究

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含氮化硼势垒层的三明治结构复合介质储能特性研究

作者：周黎宣哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

聚合物电介质广泛应用于电力电子和脉冲功率领域,普遍具有优异的常温储能能力,但是聚合物的热稳定性差,而下一代电容器中的聚合物电介质需要在极端条件下满足日益增长的电能存储和电力调节需求,所以在高温下的性能劣化无法满足需求。针... 详细信息

聚合物电介质广泛应用于电力电子和脉冲功率领域,普遍具有优异的常温储能能力,但是聚合物的热稳定性差,而下一代电容器中的聚合物电介质需要在极端条件下满足日益增长的电能存储和电力调节需求,所以在高温下的性能劣化无法满足需求。针对于此,本文采用耐高温线性介质PEI作为中间层,高绝缘性、宽禁带BN作为表面势垒层,构成BN-PEI/PEI/BN-PEI三明治结构聚合物基复合介质,实验变量为BN的粒径大小、BN在BN-PEI层中的体积分数,以改善PEI介电特性及绝缘性为目的,对BN-PEI/PEI/BN-PEI的室温、高温储能特性展开研究,最终获得较好的室温、高温储能特性。首先通过高速定向纺丝结合热压的方式制备纯PEI介质,探索PEI最佳热压温度,热压处理温度有180℃、190℃、200℃。其中PEI-190℃薄膜性能更优,在10 Hz下的介电常数为3.1,击穿场强(E)为482 k V/mm,放电能量密度(U)为4 J/cm,充放电效率(η)为96%,因此将本实验的热压温度设定为190℃。在此基础上采用逐层高速定向纺丝法制备BN-PEI/PEI/BN-PEI三明治复合介质薄膜,然后在190℃下进行热压形成致密薄膜。BN-PEI/PEI/BN-PEI(BN-2μm)复合介质(简称BPB-2)在BN-PEI势垒层中BN组分为5 vol.%时性能最好:在室温下,5 vol.%BPB-2复合介质的E为520.9 k V/mm,U为5.38 J/cm,η保持为96%;在100℃下,5 vol.%BPB-2复合介质的E为443 k V/mm,U为3.42 J/cm,η为90%;在150℃下,5vol.%BPB-2复合介质的E为333.8 k V/mm,U为2.23 J/cm,η为93%。BN-PEI/PEI/BN-PEI(BN-200 nm)复合介质(简称BPB-200)的BN-PEI层中BN粒径更小,BN团聚现象更少,5 vol.%BPB-200复合介质获得更优异的室温、高温储能特性:室温下,5 vol.%BPB-200复合介质E为584.4k V/mm,U为5.65 J/cm,η为96%;在100℃下,5 vol.%BPB-200复合介质E为458.4 k V/mm,U为3.63 J/cm,η为93%;在150℃下,5 vol.%BPB-200复合介质E为361.6 k V/mm,U为2.52 J/cm,η为95%。本文设计的BN-PEI/PEI/BN-PEI三明治结构利用BN的宽带隙,提高载流子势垒高度,抑制了载流子的注入,最终有效改善了PEI在室温、高温下的绝缘性,获取了较为优异的高温储能性能。

关键词：聚醚酰亚胺高温储能氮化硼势垒层三明治结构

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不同太阳能热化学储能体系的研究进展

科学通报 2017年第31期62卷 3631-3642页

作者：王新赫杜轩成魏进家西安交通大学能源与动力工程学院动力工程多相流国家重点实验室西安710049 西安交通大学化学工程与技术学院西安710049

太阳能热发电技术是缓解能源危机改善生态环境的重要技术,而储能系统是太阳能维持稳定和持续热发电的关键.本文从现有3种太阳能储热技术出发,分析了热化学储能具有的高储能密度和可实现大规模远距离存储和运输的明显优势,介绍了现有的5... 详细信息

太阳能热发电技术是缓解能源危机改善生态环境的重要技术,而储能系统是太阳能维持稳定和持续热发电的关键.本文从现有3种太阳能储热技术出发,分析了热化学储能具有的高储能密度和可实现大规模远距离存储和运输的明显优势,介绍了现有的5种热化学储能体系在反应机理、反应模型和反应器等方面的最新研究进展,并对各个体系的优缺点进行了评述.针对反应体系存在的问题,提出了未来几种储能体系主要的研究方向是循环性能的提高、高性能催化剂的制备、高效反应器的设计制造以及传热传质与化学反应耦合模型等.

关键词：太阳能热发电高温储能热化学储能热性能

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G-BT/聚酰亚胺复合材料的制备与储能性能

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G-BT/聚酰亚胺复合材料的制备与储能性能

作者：吕佳顺哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的发展,电容器在高温环境下得到了越来越多的应用,这就为耐温储能电介质提出了巨大的挑战。聚酰亚胺(PI)以其优异的热稳定性、良好的绝缘性而得到了广泛关注。PI的介电强度高,易加工,但其介电常数低,仅在3.4左右,这限制了... 详细信息

随着科学技术的发展,电容器在高温环境下得到了越来越多的应用,这就为耐温储能电介质提出了巨大的挑战。聚酰亚胺(PI)以其优异的热稳定性、良好的绝缘性而得到了广泛关注。PI的介电强度高,易加工,但其介电常数低,仅在3.4左右,这限制了它在电介质领域的应用,通过复合改性提高其介电性能已经成为了国内外的研究热点。本论文对PI的结构进行设计,向其中引入噁唑基团,以BZD、BPDA以及实验室自制的含噁唑二胺单体TMBA作为反应单体,采用两步法合成PI,首先合成中间产物聚酰胺酸(PAA),然后梯度升温,100℃、120℃、150℃、170℃、200℃、250℃、300℃,进行亚胺化脱水,得到PI。考察噁唑含量对PI的介电性能的影响;噁唑含量为0.1的PI-3样品,各方面性能最优,常温下介电常数达到3.86,高于其他组分的3.5左右。以PI-3为基体,向其中引入BT和G作为复合相。以原位聚合的方法,先向其中复合使用硅烷偶联剂ATPS修饰后的BT,成功之后继续复合ATPS修饰的G,以两步法合成PI复合电介质。研究发现,BT对力学性能、热稳定性,热介电稳定性均有利,其的存在使得PI的介电常数对温度的敏感度下降,且BT的含量越大,介电常数越高,介电强度越低;G的引入对PI的介电常数有显著提升,常温下G含量为1 wt%的G/PI-2样品的介电常数已经达到了10.36,是基体PI-3的2.68倍,不过其的存在会显著降低PI的介电强度,常温下G/PI-2的介电强度为64.42 MV/m,仅为基体PI-3的13.06%。本文合成的聚酰亚胺样品的介电损耗均不超过0.026,低于文献平均值0.04,纯PI样品的介电强度高,PI-3的常温介电强度达到493.28 MV/m,高于文献平均值300 MV/m。研究发现所有PI样品的介电常数随温度升高先下降后上升,90℃时达到最小值。储能方面,PI-3在常温下的储能达到了1.44 J/cm,;加入复合相后介电常数有了显著提升,储能密度上升,效率下降;本文合成的PI样品的热稳定性均十分良好,在200℃下几乎可以无损工作,在500℃下损失量很少,在5%左右。

关键词：聚酰亚胺钛酸钡石墨烯复合高温储能

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一体化室外站点智能温控助力节能增效

一体化室外站点智能温控助力节能增效