相关工作发表在《自然》(Nature)、《美国科学
发布时间:2018-12-17 14:52

  10月3日,清华大学电机系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先进材料》()期刊上发表了题为《一种显著提高聚合物电介质高温储能特性的通用化、高通量、环境友好的制备方法》(A Scalable, High-Throughput and Environmentally Benign Approach to Polymer Dielectrics Exhibiting Significantly Improved Capacitive Performance at High Temperatures)的研究论文。该论文提出了一种可规模化的高温聚合物电容器薄膜制备方法,可大幅提高聚合物电容器薄膜在高温下的介电储能特性,有望与现有聚合物电容器薄膜制备生产线相结合实现产业化,解决电容器在电力电子、航空航天和电动汽车电控系统中面临的过热损坏难题。

  电介质电容器具有极快的充放电效率和超高的功率密度,是一类极其重要的功率型储能器件,在电网调频、电磁武器、电力电子变换器、新能源汽车以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。然而以聚合物电介质材料为主体的薄膜电容器热稳定性差,无法在高温环境下稳定工作。尤其在高电场作用下,温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升趋势,造成充放电效率及储能密度急剧下降,无法满足应用需求。更严重的是,泄漏电流转变成焦耳热,使电容器温度持续上升,最终损坏。长期以来,国内外学者主要通过纳米掺杂来提升电容薄膜的高温介电储能性能,但目前无法实现规模化制备及应用。工业界的解决方法是引入冷却系统将工作环境温度降至电介质材料最高使用温度以下。例如,丰田普锐斯混合动力汽车电控系统使用冷却系统将环境温度从120-140摄氏度降至70-80摄氏度。然而,冷却系统的存在无疑会增加动力系统的质量和体积,降低燃料使用效率。

  为解决上述问题,课题组提出采用等离子体增强化学气相沉积技术在聚合物薄膜表面快速沉积具有宽能带隙的纳米绝缘层,以提高电极/介质界面处的电荷注入势垒,从而抑制聚合物电介质薄膜在高温下的泄漏电流,大幅提高了聚合物电介质薄膜在高温、高电场下的储能特性。该方法能够实现在大气压条件下快速沉积,具备连续处理的能力;其室温沉积特性使得该方法直接适用于任意聚合物介质薄膜。通过引入卷对卷薄膜加工技术和动态沉积,可实现规模化、连续化生产。该方法具有无污染、简便、高效、低成本等特点,并且可与现有聚合物电容器薄膜生产线相兼容。目前课题组已在该技术领域申请多项国内专利和PCT专利,并正与相关企业联合进行产业化开发。

  薄膜沉积区照片、电介质薄膜表面纳米绝缘层断面扫描电镜图和薄膜高温介电储能特性

  近年来,李琦副教授专注于先进电介质材料的基础研究和产业化开发,在材料结构设计和加工方法等领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然》(Nature)、《美国科学院院刊》(PNAS)、《先进材料》(Advanced Materials)、《材料研究年度评述》(Annual Review of Materials Research)等期刊上。

  该论文第一作者为清华大学电机系2014级博士生周垚,通讯作者为清华大学电机系李琦副教授、何金良教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授,合作者还包括清华大学电机系曾嵘教授、胡军副教授及中科院电工研究所邵涛教授。该研究成果得到了国家自然基金面上项目和北京市自然基金的支持。

  9月10日-13日,2018年高电压工程与应用国际会议(ICHVE)在希腊雅典召开。在13日中午召开的大会闭幕式上,清华大学电机系博士生孟鹏飞因其在采用高性能金属氧化物压敏电阻的避雷器实现深度限制交流特高压系统过电压方面取得的优异成果而获得“IEEE孙才新和斯坦·格博斯基最佳学生论文奖”。

  9月10日,2018年高电压工程与应用国际会议在希腊雅典开幕。电气和电子工程师协会孙才新和斯坦·格博斯基奖励委员会主席古邦斯基教授揭晓了2018年“电气和电子工程师协会孙才新和斯坦·格博斯基青年学者成就奖”,清华大学电机系李琦副教授因其在纳米电介质材料领域的杰出贡献荣获该奖项,成为该奖项的首位获奖者。

  8月27日至31日,两年一度的美国电磁会议(AMEREM)在美国加利佛尼亚州圣巴巴拉市加州大学圣巴巴拉分校举办。会议的发起方萨马基金会(Summa Foundation)公布了今年的国际高功率电磁会士全球入选名单,清华大学电机系何金良教授因其在雷电放电及电磁效应的认知及防护领域的贡献,荣获2018年度国际高功率电磁会士(HPEM Fellow)。

  美国西部时间2018年8月5日至9日,一年一度的美国电气与电子工程师协会电力与能源学会(IEEE PES)年会在美国俄勒冈州波特兰市召开。本届年会以“重新构想电网(Re-imaging the Electric Grid)”为主题,共有约3200余名电力与能源领域的研究人员和工程师参会。

  6月21日,在由法德圣路易斯联合实验室承办的第19届国际电磁发射大会上,电机系于歆杰教授获颁代表在电磁发射技术领域作出杰出贡献的皮特·马克奖章,以表彰其在高储能密度脉冲电源模块研制和脉冲功率技术科学传播等方面的贡献。

  研究成果可广泛应用于各类需要功率双向传输的工业与民用领域,如电池储能系统、电动汽车充放电、燃料电池发电与电解制氢装置等。

  在2016年9月25日~30日在葡萄牙艾斯特里托召开的第33届雷电防护国际会议上,雷电防护国际会议科学委员会将2016年鲁道夫·海因里希·戈尔德(Rudolf Heinrich Golde)奖授予清华大学电机系何金良教授,以表彰其在电力系统雷电防护领域做出的杰出贡献。同时,大会期间,何金良教授当选为亚太雷电国际会议执行委员会(Steering Committee)下一届主席,任期为2017年至2023年。

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