Semua Film Dielektrik Polimer untuk Mencapai Kapasitor Film Kepadatan Energi Tinggi dengan Memadukan Poly(Vinylidene Fluoride-Trifluoroethylene-Chlorofluoroethylene) dengan Aromatic Polythiourea
Abstrak
Membangun film dielektrik dengan kepadatan energi tinggi dan efisiensi adalah faktor kunci untuk membuat kapasitor film dielektrik kinerja tinggi. Dalam makalah ini, semua film komposit organik dibangun berdasarkan polimer dielektrik tinggi dan polimer dielektrik linier. Setelah reaksi polikondensasi yang dioptimalkan dari polimer dielektrik linier aromatic polythiourea (ArPTU), berat molekul yang tepat ArPTU diperoleh, yang dimasukkan ke dalam terpolimer poli(vinilidena fluorida-trifluoroetilena-klorofluoroetilena) (PVDF-TrFE-CFE) untuk dielektrik komposit. Hasilnya menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU mengurangi kehilangan dielektrik dan meningkatkan kekuatan medan tembus PVDF-TrFE-CFE secara efektif. Untuk film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), kepadatan energi maksimum sekitar 22,06 J/cm
3
pada 407,57 MV/m tercapai, dan efisiensi debit tinggi sekitar 72% disajikan. Bahan komposit ini dapat dicor pada substrat fleksibel dengan mudah, dan film komposit organik PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki kepadatan energi yang tinggi, kekuatan medan tembus yang tinggi, kehilangan dielektrik yang rendah, dan efisiensi pelepasan yang lebih tinggi. Ini adalah eksplorasi yang tidak dilaporkan tentang film dielektrik organik kepadatan energi tinggi berdasarkan matriks PVDF-TrFE-CFE dan dielektrik polimer linier, dan temuan penelitian ini dapat memberikan metode sederhana dan terukur untuk memproduksi bahan kepadatan energi tinggi yang fleksibel untuk perangkat penyimpanan energi.
Pengantar
Kapasitor film dielektrik dengan kepadatan energi tinggi, kehilangan dielektrik rendah, dan efisiensi tinggi diperlukan untuk sistem tenaga yang ringkas dan andal [1,2,3,4,5,6,7]. Di antara teknologi penyimpanan energi listrik yang tersedia, kapasitor film dielektrik memiliki kepadatan daya tertinggi karena kemampuan pengisian dan pengosongan yang sangat cepat [8, 9]. Bahan dielektrik penyimpanan energi memainkan peran penting dalam kapasitor film dielektrik, kinerja film dielektrik menentukan sebagian besar kinerja kapasitor dan membangun kepadatan energi yang tinggi, dan film dielektrik dengan kerugian dielektrik yang rendah menarik sebagian besar perhatian dalam penelitian terkait. Namun, bahan dielektrik saat ini ada dalam dilema dengan memiliki kepadatan dan efisiensi energi yang tinggi. Umumnya polimer memiliki kekuatan medan tembus yang tinggi tetapi konstanta dielektrik yang rendah [10, 11]. Densitas energi polipropilena berorientasi biaksial (BOPP), yang banyak digunakan polimer dielektrik linier saat ini, hanya 1,2 J/cm
3
, yang jauh dari kebutuhan aplikasi praktis. Diketahui bahwa bahan keramik memiliki konstanta dielektrik yang tinggi, tetapi kekuatan medan tembusnya sangat rendah dan proses pembuatannya rumit. Sudah umum untuk mengisi bahan nano anorganik konstanta dielektrik tinggi ke dalam polimer organik untuk dielektrik densitas energi tinggi. Namun, dalam banyak kasus, rekombinasi kedua bahan menghasilkan agregasi dan adhesi antarmuka karena perbedaan kompatibilitas antara kedua bahan, yang mengakibatkan kerugian dielektrik yang tinggi. Untuk tujuan ini, bahan dielektrik baru perlu dicari dan dirancang untuk lebih meningkatkan kepadatan energi film dan perangkat terkait.
Dibandingkan dengan bahan anorganik, polimer merupakan bahan yang menarik yang dapat digunakan sebagai dielektrik [12,13,14] karena teknologi pemrosesannya yang sederhana dan densitasnya yang ringan, sehingga menghasilkan film yang ringan dan fleksibel. Sebagai dielektrik polimer, poli(vinilidena fluorida) (PVDF) dan kopolimernya telah dipelajari secara ekstensif untuk aplikasi kapasitor karena medan tembusnya yang tinggi dan konstanta dielektriknya [15,16,17,18,19]. Momen dipol yang tinggi dari ikatan C–F menghasilkan polimer berbasis PVDF dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi. Sayangnya, polarisasi remanen yang tinggi dan kehilangan histeresis yang besar dari PVDF dan kopolimernya membatasi penerapannya pada bahan dielektrik dalam kapasitor. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan merancang polimer feroelektrik yang direduksi dengan histeresis tereduksi dengan memasukkan cacat struktural ke dalam matriks PVDF. Misalnya, klorofluoroetilena (CFE) dimasukkan ke dalam poli(vinilidena fluorida-trifluoroetilena) (PVDF-TrFE) untuk membentuk poli(vinilidena fluorida-trifluoroetilena-klorofluoroetilena) (PVDF-TrFE-CFE), dan loop histeresis sempit dan konstanta dielektrik tinggi diamati [20, 21]. Namun, terpolimer PVDF menunjukkan kerugian dielektrik yang tinggi di bawah medan listrik yang tinggi [22].
Dalam beberapa tahun terakhir, polimer dielektrik linier dengan gugus polar telah digunakan sebagai dielektrik polimer kinerja tinggi karena kekuatan medan tembus yang tinggi dan efisiensi pelepasan. Lebih penting lagi, polimer dielektrik linier yang melimpah dengan gugus kutub yang berbeda dapat dirancang sesuai dengan perhitungan prinsip pertama untuk aplikasi yang berbeda [23]. Di antara polimer ini, aromatic polythiourea (ArPTU) telah dilaporkan sebagai polimer dielektrik linier baru dengan kekuatan medan tembus tinggi (1,0 GV/m) dan efisiensi pengisian dan pengosongan tinggi (90% pada 1,1 GV/m) [24, 25]. Film polimer aromatik masih menunjukkan respon dielektrik linier di bawah medan listrik yang tinggi. Tidak seperti polimer non-polar lainnya, dipol acak dan struktur fase kaca amorf dari kelompok kutub di ArPTU dapat bertindak sebagai perangkap, sangat meningkatkan hamburan pembawa, sehingga sangat mengurangi kehilangan konduksi pada medan listrik tinggi. Namun, ArPTU rapuh karena gugus aromatik yang kaku, membuatnya tidak cocok untuk preparasi film area luas untuk aplikasi kapasitor film dielektrik, terutama perangkat yang berbasis pada pemrosesan roll-to-roll. Adapun metode preparasi film, beberapa metode baru seperti pencetakan 3D muncul untuk kemungkinan preparasi lapisan dielektrik [26, 27]. Namun, perlu perbaikan lebih lanjut sebelum dapat diterapkan pada proses pembuatan film terutama untuk dielektrik komposit area luas.
Dalam makalah ini, untuk mengatasi masalah ini, bahan dielektrik semua-organik PVDF-TrFE-CFE/ArPTU telah dipelajari untuk mencapai kepadatan dan efisiensi energi yang tinggi. Sebelum proses peracikan, pengaruh berat molekul pada kinerja ArPTU diselidiki secara rinci untuk memenuhi efek sinergis yang baik antara dua polimer, dan ini akan memberikan instruksi yang lebih berharga untuk membangun dielektrik berkinerja tinggi dan organik berdasarkan dielektrik linier. bahan. Kemudian, dengan memadukan sejumlah kecil ArPTU ke dalam matriks PVDF-TrFE-CFE, metode pengecoran solusi sederhana digunakan untuk menyiapkan film komposit area besar dan film dielektrik komposit dengan kepadatan energi tinggi dan efisiensi tercapai. Secara khusus, polimer komposit ini mudah diproses, bobotnya lebih ringan, dan biayanya lebih rendah [28,29,30], yang menunjukkan masa depan yang menjanjikan sebagai kapasitor dielektrik berkinerja tinggi dan aplikasi penyimpanan energi.
Bahan dan Metode
Materi
PVDF-TrFE-CFE 63.2/29.7/7.1 (mol%) dibeli dari Piezotech (Prancis). 4,4′-Diphenylmethanediamine (MDA) dibeli dari Aladdin (Shanghai, Cina), dan p -phenylene diisothiocyanate (PDTC) dibeli dari Acros (Belgia). T -Methylpyrrolidone (NMP) dipasok oleh Perusahaan Kimia Chengdu Kelong.
Sintesis Polythiourea dan Persiapan Film
ArPTU disintesis melalui reaksi polikondensasi. 1,922 g (0,01 mol) PDTC dan 1,982 g (0,01 mol) MDA ditambahkan ke labu alas bulat berleher tiga yang sebelumnya diisi dengan 40 ml pelarut NMP di bawah N2 suasana. Setelah direaksikan pada suhu kamar selama 6 h, dicuci dengan metanol selama 3-5 kali, dan kemudian dikeringkan dalam oven vakum pada suhu 60 °C selama 12 h untuk mendapatkan polythiourea. Dengan mengontrol rasio dua monomer polythiourea sintetis, diperoleh tiga polythiourea dengan berat molekul berbeda dari A, B, dan C.
Film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan proporsi berbeda dibuat dengan metode pengecoran larutan. Pertama, massa ArPTU dan PVDF-TrFE-CFE yang telah dihitung sebelumnya dilarutkan secara terpisah dalam pelarut NMP untuk membentuk larutan yang sesuai dan diaduk pada suhu kamar selama 4 jam. Kemudian, larutan dengan perbandingan massa yang berbeda dicampur secara terpisah dari larutan yang disiapkan pada langkah sebelumnya, dan N2 diisi untuk menghindari gelembung yang dihasilkan selama pencampuran, dan diaduk pada suhu kamar selama 6 h. Ketebalan film yang seragam dibentuk dengan metode pengecoran larutan pada pelat kaca kuarsa bersih, dan film komposit diperoleh dengan pengeringan dalam ruang hampa pada suhu 60 °C selama 12 h.
Uji Performa Listrik
Loop histeresis medan polarisasi-listrik unipolar dari film polimer dielektrik diperoleh menggunakan Precision Multiferroic (Radiant) yang dilengkapi dengan penguat 4000 V pada suhu kamar dan frekuensi 10 Hz. Efisiensi siklus charge-discharge sebagai fungsi dari medan yang diterapkan diberikan oleh rasio energi yang dikeluarkan dengan energi listrik yang tersimpan. Konstanta dielektrik dan hilangnya film polimer dielektrik diukur dalam rentang 100-Hz hingga 1-MHz pada suhu kamar dengan Impedance Analyzer (Agilent 4294A). Kekuatan medan tembus dari film polimer dielektrik diukur dengan AC dan DC menahan tegangan isolasi resistansi tester (TH9201) pada suhu kamar. Kekuatan kerusakan film komposit ditentukan oleh statistik distribusi Weibull.
Karakterisasi Materi
Mikroskop elektron pemindaian (SEM, Hitachi S-4800) digunakan untuk mengamati morfologi permukaan film polimer dielektrik. Kurva Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) dari film polimer dielektrik diamati oleh spektrometer FTIR (8400S, Shimadzu) dalam kisaran 400 hingga 4000 cm
−1
. Pola difraksi sinar-X (XRD) dari film polimer dielektrik direkam oleh difraktometer serbuk sinar-X (X'Pert Pro, Panalytical) menggunakan radiasi Cu Kα.
Hasil dan Diskusi
Sifat Dielektrik dari Berbagai Berat Molekul Film ArPTU
Berat molekul menunjukkan pengaruh yang berbeda pada kinerja fisik ArPTU, terutama kinerja dielektrik dan kemampuan proses. Dengan mengontrol kondisi reaksi polikondensasi, terutama rasio dua monomer, ArPTU dengan berat molekul berbeda disintesis, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 (A, B, dan C adalah politiourea yang disintesis dengan rasio molar PDTC/MDA (1/1) , PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05/1)). Dengan menyetel rasio molar dari dua monomer MDA dan PDTC, berat molekul rata-rata berat dan jumlah berat molekul rata-rata tiga ArPTU menurun berturut-turut dalam urutan A> B> C. Gambar 1 menunjukkan konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik dari molekul yang berbeda berat film ArPTU sebagai fungsi frekuensi. Dapat dilihat bahwa konstanta dielektrik film ArPTU dengan berat molekul berbeda menurun dengan meningkatnya frekuensi. Ini karena molekul ArPTU memiliki gugus kutub-gugus tiourea, dan dipol yang mengubah polarisasi dalam molekul berkontribusi banyak pada konstanta dielektrik. Dengan meningkatnya frekuensi pengujian, kontribusi polarisasi kemudi dipol berkurang [31]. Terutama pada frekuensi tinggi, kecepatan kemudi dipol tidak dapat mengikuti perubahan medan listrik, sehingga konstanta dielektrik menurun dengan meningkatnya frekuensi pengujian.
Konstanta dielektrik dan kehilangan dielektrik dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda (A, B, dan C adalah politiourea yang disintesis oleh rasio molar PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05 /1))
Pada frekuensi uji 1000 Hz, konstanta dielektrik dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda menurun dalam orde A (4,55)> B (4,15)> C (4,10), yang konsisten dengan orde berat molekul ketiga ArPTU . Alasan untuk fenomena ini mungkin hasil dari orientasi terkoordinasi dari dipol lapisan batas butir ArPTU dalam polimer berat molekul besar [32, 33]. Dalam struktur molekul ini, segmen molekul dari lapisan batas butir ArPTU tidak hanya mempertahankan karakteristik keselarasan molekul daerah kristalin, tetapi juga tidak dibatasi oleh jaringan kisi. Oleh karena itu, dalam film ArPTU, semakin tinggi fraksi volume lapisan batas butir, semakin tinggi konstanta dielektriknya. Film ArPTU dengan berat molekul tinggi yang mengandung lebih banyak molekul rantai panjang dan lapisan batas butir juga akan menempati lebih banyak volume, menghasilkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi.
Seperti yang ditunjukkan pada (Gbr. 1), kehilangan dielektrik dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda pertama-tama berkurang dan kemudian meningkat dengan meningkatnya frekuensi uji. Dalam domain 100-10.000 Hz, konduktansi ion DC menurun dengan meningkatnya frekuensi uji, menghasilkan penurunan kehilangan dielektrik. Ketika frekuensi uji lebih tinggi dari 10.000 Hz, relaksasi dipol menyebabkan kerugian dielektrik meningkat dengan meningkatnya frekuensi uji [34]. Jelas, kurva kehilangan dielektrik dari ketiga sampel tidak jauh berbeda, tetapi hanya ada sedikit perbedaan di wilayah frekuensi tinggi. Dengan kata lain, berat molekul ArPTU memiliki sedikit efek pada kehilangan dielektrik film ArPTU.
Efisiensi charge-discharge dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda dapat dihitung dengan mengukur loop histeresis medan polarisasi-listrik unipolar, seperti yang ditunjukkan pada (Gbr. 2). Efisiensi charge-discharge menurun dengan meningkatnya medan listrik yang diterapkan. Dibandingkan dengan film ArPTU dengan berat molekul tinggi, efisiensi pengisian-pengosongan dari film ArPTU dengan berat molekul rendah menurun pada tingkat yang lebih lambat. Di bawah medan listrik 2000 KV/cm, efisiensi charge-discharge dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda meningkat dalam urutan A (83,35%)
Efisiensi charge-discharge dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda (A, B, dan C adalah politiourea yang disintesis oleh rasio molar PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05/ 1))
Gambar 3 adalah kurva XRD dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda. Film ArPTU dengan berat molekul berbeda memiliki puncak difraksi sinar-X yang relatif lebar pada 2θ ≅ 22°, dan intensitas puncak menurun dengan meningkatnya berat molekul. Ini karena ArPTU memiliki struktur amorf, dan film ArPTU dengan berat molekul lebih tinggi mengandung lebih banyak molekul rantai panjang, menghasilkan wilayah amorf yang lebih besar. Dengan demikian, kristalinitas dalam film polimer menurun, yang mengakibatkan melemahnya puncak difraksi [35, 36].
Kurva XRD dari film ArPTU dengan berat molekul berbeda (A, B, dan C adalah politiourea yang disintesis oleh rasio molar PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05/1) )
Karakterisasi Film Komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Gambar 4 menunjukkan morfologi permukaan ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) yang dicirikan dengan scanning electron microscopy (SEM). Dapat diamati bahwa permukaan film PVDF-TrFE-CFE mewakili struktur dendritik, menunjukkan kristalinitasnya yang tinggi, yang terdiri dari hasil XRD. Film ArPTU menunjukkan permukaan film yang sangat halus, dan beberapa partikel kecil muncul di permukaan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). Jelas, domain PVDF-TrFE-CFE telah dikurangi dengan memadukan ArPTU, yang juga terdiri dari data XRD.
Gambar SEM dari film yang berbeda. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)
Kurva FTIR dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio massa ArPTU yang berbeda ditunjukkan pada (Gbr. 5a). Kurva FTIR menunjukkan bahwa film komposit dengan rasio yang berbeda memiliki puncak serapan yang jelas pada 1230 cm
−1
, yang dihasilkan dari gugus -HN-CS-NH- dalam polythiourea, yang membuktikan keberadaan ArPTU dalam film komposit. Kurva XRD dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio peracikan yang berbeda ditunjukkan pada (Gbr. 5b). Dapat dilihat bahwa film komposit PVDF-TrFE-CFE dan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki puncak karakteristik yang jelas pada 2θ ≅ 19,72°, dan puncak ini merupakan puncak karakteristik difraksi fase (110) dan ( 200) bidang kristal. Intensitas puncak difraksi menurun dengan meningkatnya kandungan ArPTU, yang berarti bahwa kristalinitas film komposit menurun dengan meningkatnya kandungan ArPTU. Selain itu, film PVDF-TrFE-CFE dan film PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5) memiliki puncak difraksi yang lebih lemah pada 2θ ≅ 17,56°, dan puncak ini merupakan puncak difraksi karakteristik fase- (020) bidang kristal. Ketika fraksi massa ArPTU mencapai lebih dari 10%, puncak kristalisasi fase- film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU melemah, menunjukkan bahwa film komposit berubah menjadi keadaan amorf secara perlahan dengan meningkatnya komponen ArPTU.
a Kurva FTIR film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio komposit yang berbeda. b Kurva XRD film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio komposit yang berbeda
Sifat Dielektrik Film Komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Berdasarkan hasil di atas, sampel ArPTU B, yang memiliki konstanta dielektrik dan efisiensi pelepasan yang lebih tinggi, dipilih untuk membuat film dielektrik komposit dengan PVDF-TrFE-CFE. Pertama, untuk mempelajari pengaruh ArPTU pada sifat dielektrik matriks PVDF-TrFE-CFE, spektrum frekuensi dielektrik dalam rentang 100-Hz hingga 1-MHz dikarakterisasi pada suhu kamar. Seperti yang disajikan pada (Gbr. 6a), dapat dilihat bahwa konstanta dielektrik film komposit secara bertahap menurun seiring dengan meningkatnya kandungan ArPTU. Film komposit memiliki konstanta dielektrik 35,72, 30,02, dan 28,37 pada rasio 95/5, 90/10, dan 85/15 dalam 1000 Hz, masing-masing. Konstanta dielektrik yang berkurang dari film komposit disebabkan oleh penambahan konstanta dielektrik ArPTU yang rendah. Pada saat yang sama, dengan jumlah penambahan ArPTU meningkat, ketergantungan frekuensi konstan dielektrik dari film komposit berkurang. Ini karena unit tiourea di ArPTU berinteraksi dengan matriks PVDF-TrFE-CFE, yang membatasi rotasi dipol di PVDF-TrFE-CFE [37].
a Konstanta dielektrik film komposit ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU. b Kehilangan dielektrik film komposit ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Gambar 6b menunjukkan hubungan antara kehilangan dielektrik dan frekuensi film komposit dengan rasio ArPTU yang berbeda. Dapat dilihat bahwa dielektrik yang hilang dari semua film komposit lebih rendah dari film PVDF-TrFE-CFE, menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU dapat mengurangi kehilangan dielektrik dari PVDF-TrFE-CFE secara efektif. Ini dikaitkan dengan unit tiourea di politiourea yang meningkatkan ruang interplanar, dan dipol dalam rantai polimer memiliki lebih banyak ruang untuk berputar secara bebas, yang membatasi relaksasi dipol secara efektif. Karena kehilangan dielektrik di bawah frekuensi tinggi terutama berasal dari relaksasi dipolar, hasilnya sekali lagi menunjukkan bahwa gugus tiourea di ArPTU dapat membatasi relaksasi dipol [37, 38].
Kekuatan medan tembus film dielektrik adalah parameter penting lainnya untuk aplikasi kapasitor praktis. Kekuatan medan tembus dari film komposit dengan rasio ArPTU yang berbeda dicirikan oleh statistik distribusi Weibull, yang ditunjukkan pada (Gbr. 7). Untuk film ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15), kekuatan medan tembus yang dihitung dengan distribusi Weibull masing-masing adalah 467,5 MV/m, 324,6 MV/m, 366,9 MV/m, 407,6 MV/m, dan 302,4 MV/m. Ini mengungkapkan bahwa dibandingkan dengan film PVDF-TrFE-CFE, kekuatan medan tembus dari film komposit meningkat secara signifikan dengan pengenalan ArPTU, dan semakin banyak kandungan ArPTU, semakin tinggi kekuatan medan tembus dari film komposit yang diperoleh. Penambahan ArPTU meningkatkan hamburan elektron-fonon dan hamburan elektron-dipol dalam film komposit, yang menghasilkan bidang kerusakan yang ditingkatkan secara signifikan [38]. Namun, ketika kandungan ArPTU ditingkatkan menjadi 15%, kekuatan medan tembus komposit berkurang, yang mungkin disebabkan oleh fenomena delaminasi dua polimer, yang menghasilkan lebih banyak cacat pada komposit dan pengurangan kekuatan medan kerusakan yang sesuai. Oleh karena itu, penambahan ArPTU yang tepat akan meningkatkan kekuatan medan tembus film PVDF-TrFE-CFE dielektrik tinggi secara efektif.
Perincian Weibull dari film komposit ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Loop histeresis medan polarisasi-listrik unipolar dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio ArPTU yang berbeda ditunjukkan pada (Gbr. 8). Polarisasi maksimum film komposit menurun dengan meningkatnya konten ArPTU. Polarisasi residual dari film komposit dengan tiga rasio berbeda menurun relatif terhadap film PVDF-TrFE-CFE, menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU dapat secara efektif menghambat saturasi polarisasi awal PVDF-TrFE-CFE, menghasilkan efisiensi charge-discharge yang lebih tinggi .
Loop histeresis medan listrik polarisasi unipolar. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE. c PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5). d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). e PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15)
Dalam aplikasi praktis, efisiensi charge-discharge adalah parameter karakteristik penting lainnya dari bahan dielektrik karena hilangnya energi yang selalu menyebabkan pemanasan dan merusak kinerja dan keandalan kapasitor. Gambar 9 menunjukkan efisiensi charge-discharge dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio ArPTU yang berbeda. Kekuatan medan yang diterapkan dari film PVDF-TrFE-CFE meningkat dari 500 menjadi 2000 KV/cm, dan efisiensi pelepasan muatan menurun dari 77 menjadi 58%, terutama karena hilangnya histeresis feroelektrik di bawah medan listrik yang tinggi. Efisiensi charge-discharge film komposit dengan rasio ArPTU berbeda secara signifikan lebih tinggi daripada film PVDF-TrFE-CFE. Film PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) mempertahankan efisiensi pengisian-pengosongan 72% pada medan listrik 2000 KV/cm. Pada 2000 KV/cm, komposit menunjukkan kepadatan energi yang tinggi dengan 5,31 J/cm
3
, yang jauh lebih tinggi daripada film BOPP untuk penggunaan praktis. Penambahan ArPTU mengubah struktur molekul PVDF-TrFE-CFE dan menghambat PVDF-TrFE-CFE untuk mencapai kejenuhan polarisasi sebelum waktunya. Juga telah ditemukan bahwa rasio adisi yang tepat dari ArPTU menunjukkan pengaruh yang berbeda pada efisiensi charge-discharge dari film komposit. Komposit rasio 85/15 memiliki efisiensi charge-discharge yang relatif rendah karena kandungan ArPTU yang tinggi, yang mungkin dihasilkan dari fenomena delaminasi dua polimer.
Efisiensi charge-discharge film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio komposit yang berbeda
Densitas energi film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio komposit yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 10a. Peningkatan densitas penyimpanan film komposit relatif terhadap film ArPTU terdiri dari hasil kinerja konstanta dielektrik film komposit. Dapat dilihat bahwa dibandingkan dengan film ArPTU murni, film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki kerapatan energi yang lebih tinggi pada medan listrik yang sama karena konstanta dielektrik yang ditingkatkan. Densitas energi maksimum film PVDF-TrFE-CFE dalam film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) memiliki densitas penyimpanan 22,06 J/cm
3
pada 4076 KV/cm. Dibandingkan dengan film komposit PVDF-TrFE-CTFE/ArPTU (19,2 J/cm
3
) [37], film dalam pekerjaan kami menunjukkan kepadatan penyimpanan energi yang lebih tinggi. Meskipun film dalam pekerjaan kami menunjukkan tegangan tembus yang sedikit lebih rendah, konstanta dielektrik yang lebih tinggi memastikan peningkatan besar kepadatan penyimpanan energi. Jadi, tradeoff dari kekuatan tembus dan konstanta dielektrik harus dipertimbangkan ketika membangun film komposit densitas energi tinggi. Selanjutnya, dengan mempertimbangkan densitas energi buangan, pekerjaan kami juga menunjukkan daya saing tinggi dengan densitas energi buangan tertinggi, yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Dibandingkan dengan film komposit organik-anorganik, film komposit organik dapat meningkatkan kepadatan penyimpanan energi dan efisiensi film lebih efisien dan layak dalam aplikasi praktis untuk fabrikasi perangkat roll-to-toll [41, 42]. Secara keseluruhan, dengan mengontrol berat molekul dan rasio penambahan ArPTU dengan benar, dielektrik organik berperforma tinggi berdasarkan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan densitas energi tinggi, kekuatan medan breakdown tinggi, kehilangan dielektrik rendah, dan efisiensi charge-discharge yang lebih tinggi dapat dibangun. Film polimer berperforma tinggi ini telah terbukti sebagai bahan dielektrik yang menjanjikan untuk aplikasi kapasitor film densitas daya tinggi.
a Densitas energi film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio komposit yang berbeda. b Membandingkan kepadatan energi buangan dari pekerjaan kami dengan pekerjaan yang dilaporkan [39, 40]
Kesimpulan
ArPTU diperkenalkan ke PVDF-TrFE-CFE/ArPTU untuk menyiapkan film dielektrik komposit melalui metode pengecoran larutan. Dibandingkan dengan film PVDF-TrFE-CFE, film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki kekuatan medan tembus yang lebih tinggi, efisiensi pengisian dan pengosongan yang lebih tinggi, dan kehilangan dielektrik yang lebih rendah. Kekuatan medan tembus yang lebih tinggi berarti peningkatan kepadatan penyimpanan energi. Film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) memiliki kerapatan penyimpanan 22,06 J/cm
3
pada 407,57 MV/m. Peningkatan sifat dielektrik film komposit berkaitan dengan perubahan struktur kristal. Sifat dielektrik yang sangat baik dan proses persiapan yang sederhana dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU menjadikannya terobosan penelitian yang penting untuk bahan dielektrik masa depan dan prospek aplikasi yang menjanjikan untuk perangkat penyimpanan energi.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua kumpulan data disajikan dalam makalah utama atau dalam file pendukung tambahan.
