近日，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員邵濤團(tuán)隊(duì)利用放電等離子體提升儲(chǔ)能電容器薄膜性能獲進(jìn)展。基于該團(tuán)隊(duì)在氣體放電機(jī)理、參數(shù)調(diào)控及材料改性應(yīng)用等方面的積累，該研究通過(guò)氣體放電驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)分子深紫外光源，在常壓空氣中輻照商業(yè)電容器薄膜，僅一步處理顯著提升薄膜擊穿電場(chǎng)、儲(chǔ)能密度等性能，對(duì)突破國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)能電容器薄膜性能瓶頸具有重要意義。
薄膜電容器是特高壓直流輸電、柔性直流輸電、電磁能裝備的核心儲(chǔ)能器件。雙向拉伸聚丙烯（BOPP）作為薄膜電容器的關(guān)鍵材料，具有擊穿電場(chǎng)高、常溫?fù)p耗低等優(yōu)勢(shì)。而高溫下BOPP擊穿電場(chǎng)嚴(yán)重下降、損耗急劇提升，成為限制薄膜電容器性能的瓶頸。現(xiàn)有研究多通過(guò)無(wú)機(jī)摻雜、表面噴涂、沉積、接枝等方法，提升BOPP介電性能，但常用化學(xué)試劑多步處理，并可能引入新的界面問(wèn)題，尚需攻克從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)應(yīng)用的難題。
該研究采用氣體放電等離子體高效產(chǎn)生KrCl?222?nm和Xe2?172?nm準(zhǔn)分子深紫外光，具有光子能量高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，在常壓空氣中直接輻照改性BOPP。這一“軟”改性方法可無(wú)損實(shí)現(xiàn)BOPP斷鍵、重構(gòu)，裂解氧分子、產(chǎn)生氧原子，形成熱穩(wěn)定性更好的C-O鍵，并避免引入新的界面問(wèn)題。改性后BOPP擊穿電場(chǎng)常溫下提升17％、120°C下提升52％，常溫下效率大于95％放電密度由4?MJ/m3提升到7.5?MJ/m3。該方法可以拓展到PET、PEN、PEI等高溫介質(zhì)薄膜，具有良好的通用性。
為了揭示改性內(nèi)在機(jī)理，該工作建立了分辨率達(dá)0.5?μm的激光誘導(dǎo)壓力波空間電荷測(cè)量方法，原位獲得了改性前后BOPP原樣品的空間電荷分布，發(fā)現(xiàn)了深紫外光改性可以顯著減少空間電荷量、弱化電場(chǎng)畸變；結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，闡明了氧原子引入BOPP鏈后形成深陷阱，限制載流子遷移。
該研究全鏈條深度融合放電等離子體產(chǎn)生與材料改性應(yīng)用。處理過(guò)程不涉及任何化學(xué)試劑、不產(chǎn)生高污染副產(chǎn)物，具有一步、通量大、能耗低等優(yōu)勢(shì)。該團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展將該技術(shù)植入薄膜電容器“卷對(duì)卷”生產(chǎn)線的成果轉(zhuǎn)化。
相關(guān)研究成果以Improving?Charge?Storage?of?Biaxially-Oriented?Polypropylene?Under?Extreme?Electric?Fields?by?Excimer?Uv?Irradiation為題，在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced?Materials）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和智能電網(wǎng)聯(lián)合基金等的支持。
