Scalable Polyimide‐Organosilicate Hybrid Films for High‐Temperature Capacitive Energy Storage

材料科学 聚酰亚胺 电介质 倍半硅氧烷 微电子 聚合物 电容器 纳米技术 带隙 光电子学 复合材料 电气工程 电压 图层(电子) 工程类
作者
Jiufeng Dong,Li Li,Peiqi Qiu,Yupeng Pan,Yujuan Niu,Liang Sun,Zizhao Pan,Yuqi Liu,Tan Li,Xinwei Xu,Xu Chen,Guangfu Luo,Qing Wang,Hong Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (20) 被引量:99
标识
DOI:10.1002/adma.202211487
摘要

High-temperature polymer dielectrics have broad application prospects in next-generation microelectronics and electrical power systems. However, the capacitive energy densities of dielectric polymers at elevated temperatures are severely limited by carrier excitation and transport. Herein, a molecular engineering strategy is presented to regulate the bulk-limited conduction in the polymer by bonding amino polyhedral oligomeric silsesquioxane (NH2 -POSS) with the chain ends of polyimide (PI). Experimental studies and density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the terminal group NH2 -POSS with a wide-bandgap of Eg ≈ 6.6 eV increases the band energy levels of the PI and induces the formation of local deep traps in the hybrid films, which significantly restrains carrier transport. At 200 °C, the hybrid film exhibits concurrently an ultrahigh discharged energy density of 3.45 J cm-3 and a high gravimetric energy density of 2.74 J g-1 , with the charge-discharge efficiency >90%, far exceeding those achieved in the dielectric polymers and nearly all other polymer nanocomposites. Moreover, the NH2 -POSS terminated PI film exhibits excellent charge-discharge cyclability (>50000) and power density (0.39 MW cm-3 ) at 200 °C, making it a promising candidate for high-temperature high-energy-density capacitors. This work represents a novel strategy to scalable polymer dielectrics with superior capacitive performance operating in harsh environments.
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