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High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields

电热效应 极地的 电介质 化学极性 材料科学 化学物理 高分子化学 热力学 复合材料 电场 聚合物 光电子学 化学 物理 天文 铁电性 量子力学
作者
Xiaoshi Qian,Donglin Han,Lirong Zheng,Jie Chen,Madhusudan Tyagi,Qiang Li,Feihong Du,Shanyu Zheng,Xingyi Huang,Shihai Zhang,Junye Shi,Houbing Huang,Xiaoming Shi,Jiangping Chen,Hancheng Qin,J. Bernholc,Xin Chen,Long‐Qing Chen,Liang Hong,Q M Zhang
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:600 (7890): 664-669 被引量:197
标识
DOI:10.1038/s41586-021-04189-5
摘要

More than a decade of research on the electrocaloric (EC) effect has resulted in EC materials and EC multilayer chips that satisfy a minimum EC temperature change of 5 K required for caloric heat pumps1-3. However, these EC temperature changes are generated through the application of high electric fields4-8 (close to their dielectric breakdown strengths), which result in rapid degradation and fatigue of EC performance. Here we report a class of EC polymer that exhibits an EC entropy change of 37.5 J kg-1 K-1 and a temperature change of 7.5 K under 50 MV m-1, a 275% enhancement over the state-of-the-art EC polymers under the same field strength. We show that converting a small number of the chlorofluoroethylene groups in poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) terpolymer into covalent double bonds markedly increases the number of the polar entities and enhances the polar-nonpolar interfacial areas of the polymer. The polar phases in the polymer adopt a loosely correlated, high-entropy state with a low energy barrier for electric-field-induced switching. The polymer maintains performance for more than one million cycles at the low fields necessary for practical EC cooling applications, suggesting that this strategy may yield materials suitable for use in caloric heat pumps.
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