Polymer dielectrics sandwiched by medium-dielectric-constant nanoscale deposition layers for high-temperature capacitive energy storage

材料科学 电介质 沉积(地质) 电容器 带隙 蒸发 光电子学 电场 复合材料 涂层 聚合物 高-κ电介质 电压 电气工程 工程类 物理 古生物学 热力学 生物 量子力学 沉积物
作者
Shan Cheng,Yao Zhou,Yushu Li,Chao Yuan,Mingcong Yang,Jing Fu,Jun Hu,Jinliang He,Qi Li
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:42: 445-453 被引量:122
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.07.018
摘要

Polymer film capacitors are usually limited to relatively low working temperatures due to the large conduction loss of polymer dielectrics under high thermal stress. Here, a polymer dielectric sandwiched by medium-dielectric-constant nanoscale deposition layers is reported, which exhibits significantly suppressed conduction loss and outstanding capacitive performance at high temperatures. A series of deposition materials with distinct band structures and dielectric properties are investigated. It is found that well-balanced bandgap, dielectric constant and electrical conductivity of the nanoscale deposition layer is desirable for suppressing charge injection. The substantial performance improvements are demonstrated to result from the slow decay of barrier height with increasing electric field and the reduced electric field in the deposition layers. The optimized design using a polyetherimide film sandwiched by 150-nm-thick Al2O3 deposition layers gives rise to a concurrent high discharged energy density (2.8 J cm−3) and charge-discharge efficiency (90%) up to 200 °C, which are significantly higher than those of previously reported surface-coated polymer dielectrics, and are even comparable to the maximum values achieved with expensive, less productive solution-based composite approaches. Moreover, the nanoscale coating layer can be fabricated through evaporation deposition techniques, which is accessible with industrial equipment for fast surface deposition of capacitor films
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