Scalable High‐Permittivity Polyimide Copolymer with Ultrahigh High‐Temperature Capacitive Performance Enabled by Molecular Engineering

材料科学 共聚物 脂环化合物 玻璃化转变 电介质 聚合物 聚酰亚胺 介电常数 电容感应 高分子化学 热稳定性 化学工程 光电子学 纳米技术 复合材料 电气工程 工程类 图层(电子)
作者
Jiufeng Dong,Li Li,Yujuan Niu,Zizhao Pan,Yupeng Pan,Liang Sun,Tan Li,Yuqi Liu,Xinwei Xu,Xugang Guo,Qing Wang,Hong Wang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (9) 被引量:59
标识
DOI:10.1002/aenm.202303732
摘要

Abstract Polymer capacitors are essential components of advanced electronic and power systems. However, the deficient high‐temperature capacitive performance of polymer dielectrics fails to meet the demand for harsh condition applications, due to the mutually restrictive relationships in permittivity ( ε r ), glass transition temperature (T g ), and bandgap ( E g ). Here, a modularized molecular engineering strategy is reported to enhance the high‐temperature capacitive performance of polymer dielectrics. First, the potential influences of multiple structural units on ε r , T g , and E g of polymers are elucidated by comparing a set of polyimides (PIs). After screening out an excellent sulfonated PI with concurrently high ε r (4.2), E g (3.4 eV), and T g (311.2 °C), a semi‐alicyclic sulfonyl‐containing PI copolymer is further synthesized that exhibits a superior discharged energy density of 4.3 J cm −3 above 90% efficiency at 200 °C and 485 MV m −1 . Density functional theory calculations demonstrate that the combination of polar sulfonyl group, ether linkage, and alicyclic group in the backbones of the copolymer decouples the dipole orientation and the segmental motion of backbones, and reduces conjugation effects of aromatic groups, thereby minimizing the polarization relaxation loss and the conduction loss while retaining excellent thermal stability and high permittivity.
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