Film Dielektrik Tinggi Kepadatan Energi: Menggabungkan PVDF-TrFE-CFE dengan Polytioureia Aromatik untuk Kapasitor Canggih
Abstrak
Membuat film dielektrik dengan kepadatan energi dan efisiensi tinggi adalah faktor kunci untuk memproduksi kapasitor film dielektrik berkinerja tinggi. Dalam makalah ini, film komposit organik murni dibangun berdasarkan polimer dielektrik tinggi dan polimer dielektrik linier. Setelah reaksi polikondensasi yang dioptimalkan dari polimer dielektrik linier aromatik polytioureia (ArPTU), ArPTU dengan bobot molekul yang tepat diperoleh, yang diperkenalkan ke dalam terpolimer poli(vinylidenida fluorida-trifluoroetilena-klorofluoroetilena) (PVDF-TrFE-CFE) untuk dielektrik komposit. Hasilnya menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU mengurangi kerugian dielektrik dan meningkatkan ketahanan medan hancur PVDF-TrFE-CFE secara efektif. Untuk film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), kepadatan energi maksimum sekitar 22,06 J/cm3 pada 407,57 MV/m dicapai, dan efisiensi pengisian tinggi sekitar 72% ditampilkan. Bahan komposit ini dapat dicoret pada substrat fleksibel dengan mudah, dan film komposit organik PVDF-TrFE-CFE/ArPTU yang memiliki kepadatan energi tinggi, ketahanan medan hancur tinggi, kerugian dielektrik rendah, dan efisiensi pengisian lebih tinggi diperoleh. Ini adalah eksploran yang belum pernah dilaporkan tentang film dielektrik organik dengan kepadatan energi tinggi berdasarkan matriks PVDF-TrFE-CFE dan polimer dielektrik linier, dan temuan penelitian ini dapat memberikan metode sederhana dan dapat diskalakan untuk memproduksi bahan fleksibel dengan kepadatan energi tinggi untuk perangkat penyimpanan energi.
Pendahuluan
Kapasitor film dielektrik dengan kepadatan energi tinggi, kerugian dielektrik rendah, dan efisiensi tinggi diperlukan untuk sistem daya yang padat 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 ultra-cepat [8, 9]. Bahan dielektrik penyimpanan energi memainkan peran vital dalam kapasitor film dielektrik, performa film dielektrik menentukan sebagian besar performa kapasitor dan pembuatan film dielektrik dengan kepadatan energi tinggi dan kerugian dielektrik rendah menarik perhatian besar dalam penelitian terkait. Namun, bahan dielektrik saat ini ada dalam dilema memiliki baik kepadatan energi tinggi maupun efisiensi. Secara umum, polimer memiliki ketahanan medan hancur tinggi tetapi konstanta dielektrik rendah [10, 11]. Kepadatan energi polipropilena terarah dua arah (BOPP), yang merupakan polimer dielektrik linier yang banyak digunakan saat ini, hanya 1,2 J/cm3, yang jauh dari kebutuhan aplikasi praktis. Diketahui bahwa bahan keramik memiliki konstanta dielektrik tinggi, tetapi ketahanan medan hancur sangat rendah dan proses persiapan rumit. Sudah umum untuk mengisi nanomaterial anorganik dengan konstanta dielektrik tinggi ke dalam polimer organik untuk dielektrik dengan kepadatan energi tinggi. Namun, dalam banyak kasus, recombinasi dari dua bahan menghasilkan agregasi dan antiri akibat perbedaan kompatibilitas antara kedua bahan, mengakibatkan kerugian dielektrik yang tinggi. Untuk itu, bahan dielektrik baru perlu dicari dan dirancang untuk meningkatkan lebih lanjut kepadatan energi film dan perangkat terkait.
Dibandingkan dengan bahan anorganik, polimer adalah bahan yang menarik yang dapat digunakan sebagai dielektrik [12,13,14] karena teknologi pemrosesan sederhana dan densitas ringan, menghasilkan film ringan dan fleksibel. Sebagai polimer dielektrik, poli(vinylidenida fluorida) (PVDF) dan kopolimer-nya telah diteliti secara luas untuk aplikasi kapasitor karena ketahanan medan hancur dan konstanta dielektrik tinggi [15,16,17,18,19]. Momen dipol tinggi ikatan C–F menghasilkan polimer berbasis PVDF dengan konstanta dielektrik yang lebih tinggi. Sayangnya, polarisasi remanen tinggi dan kerugian histeresis besar dari PVDF dan kopolimer-nya membatasi aplikasinya pada bahan dielektrik dalam kapasitor. Salah satu cara untuk menyelesaikan masalah ini adalah merancang polimer ferroelektrik rileks dengan histeresis yang dikurangi dengan memasukkan defek struktural ke dalam matriks PVDF. Misalnya, klorofluoroetilena (CFE) diperkenalkan ke dalam poli(vinylidenida fluorida-trifluoroetilena) (PVDF-TrFE) untuk membentuk poli(vinylidenida fluorida-trifluoroetilena-klorofluoroetilena) (PVDF-TrFE-CFE), dan loop histeresis sempit serta konstanta dielektrik tinggi diamati [20, 21]. Namun, terpolimer PVDF menunjukkan kerugian dielektrik tinggi di bawah medan listrik tinggi [22].
Dalam beberapa tahun terakhir, polimer dielektrik linier dengan grup polar telah digunakan sebagai polimer dielektrik berkinerja tinggi karena ketahanan medan hancur tinggi dan efisiensi pengisian. Penting lagi, polimer dielektrik linier melimpah dengan grup polar yang berbeda dapat dirancang berdasarkan perhitungan prinsip pertama untuk aplikasi yang berbeda [23]. Di antara polimer ini, polytioureia aromatik (ArPTU) telah dilaporkan sebagai polimer dielektrik linier baru dengan ketahanan medan hancur tinggi (1,0 GV/m) dan efisiensi pengisian dan pengosongan tinggi (90% pada 1,1 GV/m) [24, 25]. Film polimer aromatik masih menunjukkan respons dielektrik linier di bawah medan listrik tinggi. Berbeda dengan polimer non-polar lainnya, grup polar yang acak dan struktur fasa kaca amorf dalam ArPTU dapat bertindak sebagai jebakan, sangat meningkatkan pencaran muatan konduktor, sehingga sangat mengurangi kerugian konduksi di medan listrik tinggi. Namun, ArPTU rapuh karena grup aromatik yang kaku, sehingga tidak cocok untuk persiapan film luas untuk aplikasi kapasitor film dielektrik, terutama perangkat yang didasarkan pada proses roll-to-roll. Seperti yang diketahui, metode persiapan film, beberapa metode baru seperti pencetakan 3D muncul untuk kemungkinan persiapan lapis dielektrik [26, 27]. Namun, perlu perbaikan lebih lanjut sebelum dapat diterapkan pada proses manufaktur film terutama untuk dielektrik komposit luas.
Dalam makalah ini, untuk menyelesaikan masalah ini, bahan dielektrik organik murni PVDF-TrFE-CFE/ArPTU telah diteliti untuk mencapai baik kepadatan energi tinggi maupun efisiensi. Sebelum proses penggabungan, pengaruh bobot molekuler terhadap performa ArPTU diteliti secara rinci untuk memenuhi efek sinergi yang baik antara dua polimer, dan ini akan memberikan petunjuk yang lebih berharga untuk membangun dielektrik organik murni berkinerja tinggi berdasarkan bahan dielektrik linier. Kemudian, dengan mencampur jumlah kecil ArPTU ke dalam matriks PVDF-TrFE-CFE, metode cor larutan sederhana digunakan untuk menyiapkan film komposit luas dan film dielektrik komposit dengan kepadatan energi dan efisiensi tinggi dicapai. Khususnya, polimer komposit ini mudah diproses, lebih ringan, dan lebih murah [28,29,30], yang menunjukkan masa depan yang cerah sebagai kapasitor dielektrik berkinerja tinggi dan aplikasi penyimpanan energi.
Bahan dan Metode
Bahan
PVDF-TrFE-CFE 63,2/29,7/7,1 (mol%) dibeli dari Piezotech (Perancis). 4,4′-Difenilmetanediamina (MDA) dibeli dari Aladdin (Shanghai, Tiongkok), dan p-fenilena diisotiocyanat (PDTC) dibeli dari Acros (Belgia). N-Metilpirrolidon (NMP) disuplai oleh Chengdu Kelong Chemical Company.
Sintesis Polytioureia dan Persiapan Film
ArPTU disintesis oleh reaksi polikondensasi. 1,922 g (0,01 mol) PDTC dan 1,982 g (0,01 mol) MDA ditambahkan ke dalam kolong leher tiga yang sebelumnya diisi dengan 40 ml pelarut NMP di bawah atmosfer N2. Setelah bereaksi pada suhu kamar selama 6 jam, dicuci dengan metanol 3–5 kali, lalu dioven vakum pada 60 °C selama 12 jam untuk mendapatkan polytioureia. Dengan mengontrol rasio dua monomer dari polytioureia sintesis, tiga polytioureia dengan bobot molekul berbeda A, B, dan C diperoleh.
Film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan proporsi yang berbeda disiapkan oleh metode cor larutan. Pertama, massa yang telah dihitung sebelumnya dari ArPTU dan PVDF-TrFE-CFE secara terpisah dilarutkan dalam pelarut NMP untuk membentuk larutan yang sesuai dan diaduk pada suhu kamar selama 4 jam. Kemudian, larutan dengan rasio massa yang berbeda secara terpisah dicampur dari larutan yang disiapkan pada langkah sebelumnya, dan N2 diisi untuk menghindari gelembung yang dihasilkan selama pencampuran, dan diaduk pada suhu kamar selama 6 jam. Film dengan ketebalan seragam terbentuk oleh metode cor larutan pada piring kaca kuarsa yang bersih, dan film komposit diperoleh dengan pengeringan di vakum pada 60 °C selama 12 jam.
Uji Performa Listrik
Loop histeresis polarisasi-unipol-medan listrik dari film polimer dielektrik diperoleh dengan Precision Multiferroic (Radiant) dilengkapi dengan pemacu 4000 V pada suhu kamar dan frekuensi 10 Hz. Efisiensi siklus pengisian-pengosongan sebagai fungsi dari medan yang diterapkan diberikan oleh rasio energi yang diosongkan terhadap energi listrik yang disimpan. Konstanta dielektrik dan kerugian dari film polimer dielektrik diukur dalam rentang 100 Hz hingga 1 MHz pada suhu kamar dengan Impedance Analyzer (Agilent 4294A). Ketahanan medan hancur dari film polimer dielektrik diukur oleh penguji tahanan isolasi tegangan withstand AC dan DC (TH9201) pada suhu kamar. Ketahanan hancur dari film komposit ditentukan oleh statistik distribusi Weibull.
Karakterisasi Bahan
Mikroskop elektron pemindai (SEM, Hitachi S-4800) digunakan untuk mengamati morfologi permukaan film polimer dielektrik. Kurva spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dari film polimer dielektrik diamati oleh spektrometer FTIR (8400S, Shimadzu) dalam rentang 400 hingga 4000 cm−1. Pola difraksi sinar X (XRD) dari film polimer dielektrik direkam oleh difraktometer bubuk sinar X (X’Pert Pro, Panalytical) menggunakan radiasi Cu Kα.
Hasil dan Pembahasan
Properti Dielektrik Film ArPTU dengan Berbagai Bobot Molekul
Bobot molekul menunjukkan pengaruh yang berbeda pada performa fisik ArPTU, terutama performa dielektrik dan kemampuan proses. Dengan mengontrol kondisi reaksi polikondensasi, terutama rasio dua monomer, ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda disintesis, seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1 (A, B, dan C adalah polytioureia yang disintesis oleh rasio mol PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05/1)). Dengan menyesuaikan rasio mol dua monomer MDA dan PDTC, bobot molekul rata-rata berat dan bobot molekul rata-rata jumlah dari tiga ArPTU menurun secara berturut-turut dalam urutan A > B > C. Gambar 1 menunjukkan konstanta dielektrik dan kerugian dielektrik film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda sebagai fungsi frekuensi. Terlihat bahwa konstanta dielektrik film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda menurun seiring peningkatan frekuensi. Ini karena molekul ArPTU memiliki grup polar-grup tioureia, dan putaran polarisasi dalam molekul berkontribusi banyak terhadap konstanta dielektrik. Seiring peningkatan frekuensi pengujian, kontribusi putaran polar menurun [31]. Khususnya pada frekuensi tinggi, kecepatan putaran polar tidak dapat mengikuti perubahan medan listrik, mengakibatkan konstanta dielektrik menurun seiring peningkatan frekuensi pengujian.
Konstanta dielektrik dan kerugian dielektrik film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda (A, B, dan C adalah polytioureia yang disintesis oleh rasio mol PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95/1), dan PDTC/MDA (1,05/1))
Pada frekuensi pengujian 1000 Hz, konstanta dielektrik film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda menurun dalam urutan A (4,55) > B (4,15) > C (4,10), yang sesuai dengan urutan bobot molekul dari tiga ArPTU. Alasan fenomena ini mungkin berasal dari orientasi terkoordinasi lapisan batas kristal ArPTU dalam polimer bobot molekul besar [32, 33]. Dalam struktur molekuler ini, segmen molekuler lapisan batas kristal ArPTU tidak hanya mempertahankan karakterisasi perataan molekul daerah kristal, tetapi juga tidak terbatas oleh jaringan kristal. Oleh karena itu, dalam film ArPTU, semakin tinggi fraksi volume lapisan batas kristal, semakin tinggi konstanta dielektrik. Film ArPTU bobot molekul tinggi yang mengandung lebih banyak molekul rantai panjang dan lapisan batas kristal juga akan menempati lebih banyak volume, menghasilkan konstanta dielektrik yang lebih tinggi.
Seperti yang ditunjukkan dalam (Gambar 1), kerugian dielektrik film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda pertama menurun lalu naik seiring peningkatan frekuensi pengujian. Dalam domain 100–10.000 Hz, konduksi ion DC menurun seiring peningkatan frekuensi pengujian, mengakibatkan penurunan kerugian dielektrik. Ketika frekuensi pengujian lebih tinggi dari 10.000 Hz, relaksasi dipol menyebabkan kerugian dielektrik meningkat seiring peningkatan frekuensi pengujian [34]. Jelas, kurva kerugian dielektrik dari tiga contoh tidak terlalu berbeda, tetapi hanya ada perbedaan kecil pada daerah frekuensi tinggi. Dengan kata lain, bobot molekul ArPTU memiliki efek yang kecil pada kerugian dielektrik film ArPTU.
Efisiensi pengisian-pengosongan film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda dapat dihitung dengan mengukur loop histeresis polarisasi-medan listrik unipol, seperti yang ditunjukkan dalam (Gambar 2). Efisiensi pengisian-pengosongan menurun seiring peningkatan medan listrik yang diterapkan. Dibandingkan dengan film ArPTU bobot molekul tinggi, efisiensi pengisian-pengosongan film ArPTU bobot molekul rendah menurun dengan lebih lambat. Di bawah medan listrik 2000 KV/cm, efisiensi pengisian-pengosongan film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda meningkat dalam urutan A (83,35%) < B (84,24%) < C (87,73%), film ArPTU bobot molekul rendah memiliki efisiensi pengisian-pengosongan yang lebih tinggi. Ini karena film ArPTU bobot molekul tinggi mengandung lebih banyak molekul rantai panjang yang membentuk domain ferroelektrik berukuran besar saat kristal, dan domain ferroelektrik berukuran besar mengakibatkan polarisasi remanen yang lebih tinggi dan efisiensi pengisian-pengosongan yang lebih rendah sesuai.
Efisiensi pengisian-pengosongan film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda (A, B, dan C adalah polytioureia yang disintesis oleh rasio mol PDTC/MDA (1/1), PDTC/MDA (0,95 /1), dan PDTC/MDA (1,05/1))
Gambar 3 adalah kurva XRD film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda. Film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda memiliki puncak difraksi sinar X yang cukup lebar pada 2θ ≅ 22°, dan intensitas puncak menurun seiring peningkatan bobot molekul. Ini karena ArPTU memiliki struktur amorf, dan film ArPTU bobot molekul tinggi mengandung lebih banyak molekul rantai panjang, menghasilkan daerah amorf yang lebih besar. Akibatnya, kristalin dalam film polimer menurun, yang mengakibatkan penurunan puncak difraksi [35, 36].
Kurva XRD film ArPTU dengan bobot molekul yang berbeda (A, B, dan C adalah polytioureia yang disintesis oleh rasio mol 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 dikarakterisir oleh mikroskop elektron pemindai (SEM). Terlihat bahwa permukaan film PVDF-TrFE-CFE menunjukkan struktur dendritik, yang menunjukkan kristalinitas tinggi, yang sesuai dengan hasil XRD. Film ArPTU menunjukkan permukaan film yang sangat halus, dan beberapa partikel kecil muncul pada permukaan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). Jelas, domain PVDF-TrFE-CFE telah dikurangi dengan pencampuran ArPTU, yang juga sesuai dengan data XRD.
Citra SEM berbagai film. a ArPTU. b PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10). c PVDF-TrFE-CFE. d PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5)
Kurva FTIR film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio massa ArPTU yang berbeda ditampilkan dalam (Gambar 5a). Kurva FTIR menunjukkan bahwa film komposit dengan rasio yang berbeda memiliki puncak absorpsi yang jelas pada 1230 cm−1, yang berasal dari grup -HN-CS-NH- dalam polytioureia, yang membuktikan keberadaan ArPTU dalam film komposit. Kurva XRD film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio campuran yang berbeda ditampilkan dalam (Gambar 5b). Terlihat bahwa film PVDF-TrFE-CFE dan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki puncak karakteristik yang jelas pada 2θ ≅ 19,72°, dan puncak ini adalah puncak difraksi karakteristik bidang kristal fase β (110) dan (200). Intensitas puncak difraksi menurun seiring peningkatan konten ArPTU, yang berarti kristal film komposit menurun seiring peningkatan konten 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 adalah puncak difraksi karakteristik bidang kristal fase α (020). Ketika fraksi massa ArPTU mencapai lebih dari 10%, puncak kristalisasi fase α dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU melemah, menunjukkan bahwa film komposit berubah perlahan ke dalam keadaan amorf seiring peningkatan komponen ArPTU.
a Kurva FTIR film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan berbagai rasio komposit. b Kurva XRD film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan berbagai rasio komposit
Properti Dielektrik Film Komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Berdasarkan hasil di atas, contoh ArPTU B, yang memiliki konstanta dielektrik dan efisiensi pengosongan yang lebih tinggi, dipilih untuk menyiapkan film dielektrik komposit dengan PVDF-TrFE-CFE. Pertama, untuk mempelajari pengaruh ArPTU terhadap properti dielektrik matriks PVDF-TrFE-CFE, spektrum frekuensi dielektrik dalam rentang 100 Hz hingga 1 MHz dikarakterisir pada suhu kamar. Seperti yang ditampilkan dalam (Gambar 6a), terlihat bahwa konstanta dielektrik film komposit secara bertahap menurun seiring peningkatan konten ArPTU. Film komposit memiliki konstanta dielektrik 35,72, 30,02, dan 28,37 pada rasio 95/5, 90/10, dan 85/15 pada 1000 Hz, masing-masing. Konstanta dielektrik yang diturunkan dari film komposit disebabkan oleh penambahan ArPTU dengan konstanta dielektrik rendah. Pada saat yang sama, seiring peningkatan jumlah penambahan ArPTU, ketergantungan konstanta dielektrik film komposit terhadap frekuensi menurun. Ini karena unit tioureia dalam ArPTU berinteraksi dengan matriks PVDF-TrFE-CFE, yang membatasi putaran dipol dalam PVDF-TrFE-CFE [37].
a Konstanta dielektrik ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU. b Kerugian dielektrik ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Gambar 6b menunjukkan hubungan antara kerugian dielektrik dan frekuensi film komposit dengan rasio ArPTU yang berbeda. Terlihat bahwa kerugian dielektrik semua film komposit lebih rendah dari film PVDF-TrFE-CFE, menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU dapat mengurangi kerugian dielektrik PVDF-TrFE-CFE secara efektif. Ini disebabkan oleh unit tioureia dalam polytioureia yang meningkatkan ruang antar-datar, dan dipol dalam rantai polimer memiliki lebih banyak ruang untuk berputar bebas, yang secara efektif membatasi relaksasi dipol. Karena kerugian dielektrik di bawah frekuensi tinggi terutama berasal dari relaksasi dipol, hasil ini lagi-lagi menunjukkan bahwa grup tioureia dalam ArPTU mungkin membatasi relaksasi dipol [37, 38].
Ketahanan medan hancur film dielektrik adalah parameter lain yang penting untuk aplikasi kapasitor praktis. Ketahanan medan hancur film komposit dengan rasio ArPTU yang berbeda dikarakterisir oleh statistik distribusi Weibull, seperti yang ditampilkan dalam (Gambar 7). Untuk ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (95/5), PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10), dan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (85/15) film, ketahanan medan hancur yang dihitung oleh distribusi Weibull adalah 467,5 MV/m, 324,6 MV/m, 366,9 MV/m, 407,6 MV/m, dan 302,4 MV/m, masing-masing. Ini mengungkapkan bahwa dibandingkan dengan film PVDF-TrFE-CFE, ketahanan medan hancur film komposit secara signifikan ditingkatkan dengan perkenalan ArPTU, dan semakin banyak konten ArPTU, semakin tinggi ketahanan medan hancur film komposit yang diperoleh. Penambahan ArPTU meningkatkan pencaran fonon-elektron dan pencaran dipol-elektron dalam film komposit, yang mengakibatkan peningkatan ketahanan medan hancur yang signifikan [38]. Namun, ketika konten ArPTU ditingkatkan hingga 15%, ketahanan medan hancur komposit menurun, yang mungkin disebabkan oleh fenomena delaminasi dua polimer, resulting in lebih banyak defek dalam komposit dan penurunan ketahanan medan hancur sesuai. Oleh karena itu, penambahan ArPTU yang tepat akan secara efektif meningkatkan ketahanan medan hancur film PVDF-TrFE-CFE dengan dielektrik tinggi.
Weibull breakdown ArPTU, PVDF-TrFE-CFE, dan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU
Loop histeresis polarisasi-medan listrik unipol film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio ArPTU yang berbeda ditampilkan dalam (Gambar 8). Polarisasi maksimum film komposit menurun seiring peningkatan konten ArPTU. Polarisasi remanen film komposit dengan tiga rasio berbeda menurun relatif terhadap film PVDF-TrFE-CFE, menunjukkan bahwa penambahan molekul ArPTU dapat secara efektif menghambat saturasi polarisasi dini PVDF-TrFE-CFE, mengarah pada efisiensi pengisian-pengosongan yang lebih tinggi.
Loop histeresis polarisasi-medan listrik unipol. 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 pengisian-pengosongan adalah karakteristik parameter penting lainnya dari bahan dielektrik karena kehilangan energi yang selalu mengakibatkan pemanasan dan merusak performa dan keandalan kapasitor. Gambar 9 menunjukkan efisiensi pengisian-pengosongan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan rasio ArPTU yang berbeda. Medan listrik yang diterapkan film PVDF-TrFE-CFE meningkat dari 500 hingga 2000 KV/cm, dan efisiensi pengisian-pengosongan menurun dari 77 hingga 58%, terutama karena kerugian histeresis ferroelektrik di bawah medan listrik tinggi. Efisiensi pengisian-pengosongan film komposit dengan rasio ArPTU yang berbeda secara signifikan lebih tinggi daripada film PVDF-TrFE-CFE. Film PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) mempertahankan 72% efisiensi pengisian-pengosongan pada medan listrik 2000 KV/cm. Pada 2000 KV/cm, komposit menunjukkan kepadatan energi tinggi dengan 5,31 J/cm3, yang jauh lebih tinggi daripada film BOPP untuk penggunaan praktis. Penambahan ArPTU mengubah struktur molekuler PVDF-TrFE-CFE dan menghambat PVDF-TrFE-CFE dari mencapai saturasi polarisasi terlalu dini. Juga ditemukan bahwa rasio penambahan ArPTU yang tepat menunjukkan pengaruh yang berbeda pada efisiensi pengisian-pengosongan film komposit. Komposit rasio 85/15 memiliki efisiensi pengisian-pengosongan yang relatif rendah karena konten ArPTU yang tinggi, yang mungkin berasal dari fenomena delaminasi dua polimer.
Efisiensi pengisian-pengosongan film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan berbagai rasio komposit
Kepadatan energi film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan berbagai rasio komposit ditampilkan dalam Gambar 10a. Peningkatan kepadatan penyimpanan film komposit relatif terhadap film ArPTU terdiri dari hasil performa konstanta dielektrik film komposit. Terlihat bahwa dibandingkan dengan film ArPTU murni, film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki kepadatan energi yang lebih tinggi pada medan listrik yang sama karena konstanta dielektrik yang ditingkatkan. Kepadatan energi maksimum film PVDF-TrFE-CFE dalam film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) memiliki kepadatan penyimpanan sebesar 22,06 J/cm3 pada 4076 KV/cm. Dibandingkan dengan film komposit PVDF-TrFE-CTFE/ArPTU (19,2 J/cm3) [37], film dalam karya kami menunjukkan kepadatan penyimpanan energi yang lebih tinggi. Meskipun film dalam karya kami menunjukkan tegangan hancur sedikit lebih rendah, konstanta dielektrik yang lebih tinggi memastikan peningkatan besar dari kepadatan penyimpanan energi. Jadi, trade-off antara ketahanan hancur dan konstanta dielektrik harus dipertimbangkan saat membangun film komposit dengan kepadatan energi tinggi. Selanjutnya, mempertimbangkan kepadatan energi pengosongan, karya kami juga menunjukkan daya saing tinggi dengan kepadatan energi pengosongan tertinggi, seperti yang ditampilkan dalam Gambar 10b. Dibandingkan dengan film komposit organik-anorganik, film komposit organik dapat meningkatkan kepadatan penyimpanan energi dan efisiensi film secara lebih efisien dan layak dalam aplikasi praktis untuk pembuatan perangkat roll-to-roll [41, 42]. Keseluruhan, dengan mengontrol bobot molekul dan rasio penambahan ArPTU dengan benar, dielektrik organik berkinerja tinggi berdasarkan PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan kepadatan energi tinggi, ketahanan medan hancur tinggi, kerugian dielektrik rendah, dan efisiensi pengisian-pengosongan yang lebih tinggi dapat dibangun. Film polimer berkinerja tinggi ini telah terbukti menjadi bahan dielektrik yang menjanjikan untuk aplikasi kapasitor film dengan daya padat tinggi.
a Kepadatan energi film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU dengan berbagai rasio komposit. b Perbandingan kepadatan energi pengosongan karya kami dengan karya yang dilaporkan [39, 40]
Kesimpulan
ArPTU diperkenalkan ke dalam PVDF-TrFE-CFE/ArPTU untuk menyiapkan film dielektrik komposit melalui metode cor larutan. Dibandingkan dengan film PVDF-TrFE-CFE, film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU memiliki ketahanan medan hancur yang lebih tinggi, efisiensi pengisian dan pengosongan yang lebih tinggi, dan kerugian dielektrik yang lebih rendah. Ketahanan medan hancur yang lebih tinggi berarti peningkatan kepadatan penyimpanan energi. Film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU (90/10) memiliki kepadatan penyimpanan sebesar 22,06 J/cm3 pada 407,57 MV/m. Peningkatan properti dielektrik film komposit terkait dengan perubahan struktur kristal. Properti dielektrik yang unggul dan proses persiapan yang sederhana dari film komposit PVDF-TrFE-CFE/ArPTU menjadikannya sebuah terobosan penelitian penting untuk bahan dielektrik di masa depan dan peluang aplikasi yang menjanjikan untuk perangkat penyimpanan energi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua dataset disajikan dalam naskah utama atau dalam berkas pendukung tambahan.
