Achieving High Energy Density in PVDF-Based Polymer Blends: Suppression of Early Polarization Saturation and Enhancement of Breakdown Strength

材料科学 聚偏氟乙烯 电介质 复合材料 聚合物 聚合物混合物 饱和(图论) 极化(电化学) 铁电性 介电常数 聚丙烯 铁电聚合物 介电强度 光电子学 化学 物理化学 组合数学 数学 共聚物
作者
Xin Zhang,Yang Shen,Zhonghui Shen,Jianyong Jiang,Long‐Qing Chen,Ce‐Wen Nan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:8 (40): 27236-27242 被引量:173
标识
DOI:10.1021/acsami.6b10016
摘要

Polymers with high dielectric strength and favorable flexibility have been considered promising materials for dielectrics and energy storage applications, while the achievable energy density (Ue) of polymer is rather limited by the intrinsic low dielectric constant and ferroelectric hysteresis. Polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene (P(VDF-TrFE-CFE)) with ultrahigh εr of >50 is considered promising in achieving high Ue of polymer dielectrics. However, P(VDF-TrFE-CFE) only exhibits moderate Ue due to the early saturation of electrical polarization at low electric field. In this contribution, we show that, by blending P(VDF-TrFE-CFE) with polyvinylidene fluoride (PVDF), the early saturation of P(VDF-TrFE-CFE) is substantially suppressed, giving rise to concomitant enhancement of dielectric permittivity and breakdown strength. An ultrahigh energy density of 19.6 J/cm3 is thus achieved at ∼640 kV/mm, which is 1600% greater than Ue of the benchmark biaxially oriented polypropylene (BOPP, 1.2 J/cm3 at 640 kV/mm). Results of phase field simulations reveal that the interfaces between PVDF and P(VDF-TrFE-CFE) play a critical role by not only suppressing early saturation of electrical polarization in P(VDF-TrFE-CFE) but also inducing additional interfacial polarization. Binary phase diagram of P(VDF-TrFE-CFE)/PVDF blends is also systematically explored with their dielectric and energy storage behavior studied.
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