High‐Temperature High‐Energy‐Density Dielectric Polymer Nanocomposites Utilizing Inorganic Core–Shell Nanostructured Nanofillers

材料科学 复合材料 电介质 聚醚酰亚胺 纳米复合材料 复合数 电场 聚合物纳米复合材料 纳米颗粒 聚合物 纳米技术 光电子学 量子力学 物理
作者
Lulu Ren,He Li,Zongliang Xie,Ding Ai,Yao Zhou,Yang Liu,Siyu Zhang,Lijun Yang,Xuetong Zhao,Zongren Peng,Ruijin Liao,Qing Wang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (28) 被引量:172
标识
DOI:10.1002/aenm.202101297
摘要

Abstract High‐energy‐density polymer dielectrics capable of high temperature operation are highly demanded in advanced electronics and power systems. Here, the polyetherimide (PEI) composites filled with the core–shell structured nanoparticles composed of ZrO 2 core and Al 2 O 3 shell are described. The establishment of a gradient of the dielectric constants from ZrO 2 core and Al 2 O 3 shell to PEI matrix gives rise to much less distortion of the electric field around the nanoparticles, and consequently, high breakdown strength at varied temperatures. The wide bandgap Al 2 O 3 shell creates deep traps in the composites and thus yields an order of magnitude lower leakage of current density of the composites with respect to those with pristine ZrO 2 at high temperatures. Accordingly, the composite delivers a discharged energy density of 5.19 J cm −3 and 150 ° C, which outperforms the current free‐standing high‐temperature dielectric polymer and polymer composite films measured at 10 Hz. Moreover, the core–shell structured composites endow great thermal stability, charge–discharge efficiency, and the improved energy density with increasing temperature from 25 to 150 ° C. The finite element simulations and numerical calculations are performed to reveal the mechanistic impacts of the core–shell structure on the electric field distribution and electrical conduction of the composites.
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