Achieving Synergistic Improvement in Dielectric and Energy Storage Properties of All-Organic Poly(Methyl Methacrylate)-Based Copolymers Via Establishing Charge Traps
Guanghu He, Huang Luo, Chuanfang Yan, Yuting Wan, Dang Wu, Hang Luo, Yuan Liu, Sheng Chen
Achieving Synergistic Improvement in Dielectric and Energy Storage Properties of All-Organic Poly(Methyl Methacrylate)-Based Copolymers Via Establishing Charge Traps
How to achieve synergistic improvement of permittivity (εr) and breakdown strength (Eb) is a huge challenge for polymer dielectrics. Here, for the first time, the π-conjugated comonomer (MHT) can simultaneously promote the εr and Eb of linear poly(methyl methacrylate) (PMMA) copolymers. The PMMA-based random copolymer films (P(MMA-co-MHT)), block copolymer films (PMMA-b-PMHT), and PMMA-based blend films were prepared to investigate the effects of sequential structure, phase separation structure, and modification method on dielectric and energy storage properties of PMMA-based dielectric films. As a result, the random copolymer P(MMA-co-MHT) can achieve a maximum εr of 5.8 at 1 kHz owing to the enhanced orientation polarization and electron polarization. Because electron injection and charge transfer are limited by the strong electrostatic attraction of π-conjugated benzophenanthrene group analyzed by the density functional theory (DFT), the discharge energy density value of P(MMA-co-PMHT) containing 1 mol% MHT units with the efficiency of 80% reaches 15.00 J cm-3 at 872 MV m-1, which is 165% higher than that of pure PMMA. This study provides a simple and effective way to fabricate the high performance of polymer dielectrics via copolymerization with the monomer of P-type semi-conductive polymer.
dielectric capacitor / electrical properties / energy density / polymer dielectric / semiconductor polymer
[1] |
J. S. Ho , S. G. Greenbaum , ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 29189.
|
[2] |
X. Hu , K. Yi , J. Liu , B. Chu , Energ. Technol. 2018, 6, 849.
|
[3] |
X. Zhang , B.-W. Li , L. Dong , H. Liu , W. Chen , Y. Shen , C.-W. Nan , Adv. Mater. Interfaces 2018, 5, 1800096.
|
[4] |
H. Luo , X. Zhou , C. Ellingford , Y. Zhang , S. Chen , K. Zhou , D. Zhang , C. R. Bowen , C. Wan , Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 4424.
|
[5] |
H. Li , Y. Zhou , Y. Liu , L. Li , Y. Liu , Q. Wang , Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 6369.
|
[6] |
H. Wu , F. Zhuo , H. Qiao , L. Kodumudi Venkataraman , M. Zheng , S. Wang , H. Huang , B. Li , X. Mao , Q. Zhang , Energy Environ. Mater. 2022, 5, 486.
|
[7] |
B. Fan , M. Zhou , C. Zhang , D. He , J. Bai , Prog. Polym. Sci. 2019, 97, 231415.
|
[8] |
J. Wei , L. Zhu , Prog. Polym. Sci. 2020, 106, 101254.
|
[9] |
H. Xu , G. He , S. Chen , S. Chen , R. Qiao , H. Luo , D. Zhang , Macromolecules 2021, 54, 8195.
|
[10] |
G. He , Z. Liu , C. Wang , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 8156.
|
[11] |
C. Ding , X. Tang , S. Yu , S. Chen , Z. Liu , H. Luo , D. Zhang , J. Mater. Chem. C 2022, 10, 6323.
|
[12] |
S. Yu , C. Ding , Y. Liu , Y. Liu , Y. Zhang , H. Luo , D. Zhang , S. Chen , J. Power Sources 2022, 535, 231415.
|
[13] |
X. Wu , X. Chen , Q. M. Zhang , D. Q. Tan , Energy Stor. Mater. 2022, 44, 29.
|
[14] |
Q. K. Feng , S. L. Zhong , J. Y. Pei , Y. Zhao , D. L. Zhang , D. F. Liu , Y. X. Zhang , Z. M. Dang , Chem. Rev. 2022, 122, 3820.
|
[15] |
J. Mao , S. Wang , Y. Cheng , B. Xiao , L. Zhang , D. Ai , Y. Chen , W. Sun , J. Luo , Chem. Eng. J. 2022, 444, 136331.
|
[16] |
A. A. Deshmukh , C. Wu , O. Yassin , A. Mishra , L. Chen , A. Alamri , Z. Li , J. Zhou , Z. Mutlu , M. Sotzing , P. Rajak , S. Shukla , J. Vellek , M. A. Baferani , M. Cakmak , P. Vashishta , R. Ramprasad , Y. Cao , G. Sotzing , Energy Environ. Sci. 2022, 15, 1307.
|
[17] |
L. Liu , K. Zhang , J. Liu , L. Zhu , R. Xie , S. Lv , React. Funct. Polym. 2022, 172, 105177.
|
[18] |
H. Luo , S. Chen , L. Liu , X. Zhou , C. Ma , W. Liu , D. Zhang , ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 7, 3145.
|
[19] |
S. Chen , X. Yan , W. Liu , R. Qiao , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , Chem. Eng. J. 2020, 401, 126095.
|
[20] |
Y. Yin , J. He , C. Zhang , J. Chen , J. Wu , Z. Shi , C. Xiong , Q. Yang , Cellulose 2021, 28, 1541.
|
[21] |
Q. K. Feng , J. B. Ping , J. Zhu , J. Y. Pei , L. Huang , D. L. Zhang , Y. Zhao , S. L. Zhong , Z. M. Dang , Macromol. Rapid Commun. 2021, 42, e2100116.
|
[22] |
A. Ahmad , H. Tong , T. Fan , J. Xu , J. Appl. Polym. Sci. 2021, 138, 50997.
|
[23] |
R. Wang , H. Xu , S. Cheng , J. Liang , B. Gou , J. Zhou , J. Fu , C. Xie , J. He , Q. Li , Energy Stor. Mater. 2022, 49, 339.
|
[24] |
K. Yang , W. Chen , Y. Zhao , Y. He , X. Chen , B. Du , W. Yang , S. Zhang , Y. Fu , ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 25850.
|
[25] |
M. Zhang , B. Zhu , X. Zhang , S. Tan , H. Gong , X. Wei , Z. Zhang , J. Mater. Chem. A 2022, 10, 16258.
|
[26] |
Y. Su , Y. Huan , B. Peng , X. Wang , L. Wu , T. Wei , Chem. Eng. J. 2023, 452, 139316.
|
[27] |
X. Du , Z. Li , T. Xu , J. Wang , S. Yan , L. Dong , Chem. Eng. J. 2020, 379, 122328.
|
[28] |
C. Yuan , Y. Zhou , Y. Zhu , J. Liang , S. Wang , S. Peng , Y. Li , S. Cheng , M. Yang , J. Hu , B. Zhang , R. Zeng , J. He , Q. Li , Nat. Commun. 2020,
CrossRef
Google scholar
|
[29] |
Y. Zhang , R. Feng , Z. Chen , T. Zhao , Y. Ju , S. Yan , S. Song , G. Zhao , L. Dong , Eur. Polym. J. 2021, 152, 110486.
|
[30] |
R. Qiao , H. Xu , S. Chen , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , ACS Appl. Polym. Mater. 2021, 3, 879.
|
[31] |
R. Qiao , C. Wang , S. Chen , G. He , Z. Liu , H. Luo , D. Zhang , Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2022, 152, 106679.
|
[32] |
Y. Zhang , F. Yan , S. Lao , X. Li , L. Dong , J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2022, 33, 13850.
|
[33] |
B. Luo , X. Wang , H. Wang , Z. Cai , L. Li , Compos. Sci. Technol. 2017, 151, 94.
|
[34] |
X. Zhang , Y. Jiang , R. Gao , X. Li , Z. Shen , B.-W. Li , Q. Zhang , S. Zhang , C.-W. Nan , Sci. China Mater. 2021, 64, 1642.
|
[35] |
Z. Dan , W. Ren , M. Guo , Z. Shen , T. Zhang , J. Jiang , C. Nan , Y. Shen , IET Nanodielectrics 2020, 3, 147.
|
[36] |
Y. Jiang , J. Wang , S. Yan , Z. Shen , L. Dong , S. Zhang , X. Zhang , C. W. Nan , Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2200848.
|
[37] |
F. Wen , C. Zhu , W. Lv , P. Wang , L. Zhang , L. Li , G. Wang , W. Wu , Z. Ying , X. Zheng , C. Han , W. Li , H. Zu , Z. Yue , ACS Omega 2021, 6, 35014.
|
[38] |
S. Zhang , B. Neese , K. Ren , B. Chu , Q. M. Zhang , J. Appl. Phys. 2006, 100, 044113.
|
[39] |
Q. Li , J. Liu , X. Zhang , S. Tan , J. Lu , Z. Zhang , Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 15712.
|
[40] |
H. Xu , S. Chen , S. Chen , R. Qiao , H. Li , H. Luo , D. Zhang , ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 2451.
|
[41] |
G. He , Y. Liu , C. Wang , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , Chem. Eng. J. 2022, 446, 137106.
|
[42] |
X. Tang , C. Din , S. Yu , Y. Liu , H. Luo , D. Zhang , S. Chen , Chem. Eng. J. 2022, 446, 137281.
|
[43] |
K. Qian , R. Qiao , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , J. Mater. Chem. C 2020, 8, 8440.
|
[44] |
X.-H. Han , X.-W. Yang , S. Chen , H. Luo , D. Zhang , H.-L. Zhang , Chinese J. Polym. Sci. 2018, 36, 960.
|
[45] |
Q. Li , S. Tan , H. Gong , J. Lu , W. Zhang , X. Zhang , Z. Zhang , Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 3856.
|
[46] |
C. Yuan , Y. Zhou , Y. Zhu , S. Hu , J. Liang , Z. Luo , B. Gao , T. Zeng , Y. Zhang , J. Li , S. Huang , Z. Han , X. Yang , Y. Yang , P. Meng , J. Hu , J. He , H. Yuan , Q. Li , ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10, 8685.
|
[47] |
J. Wei , Z. Zhang , J. K. Tseng , I. Treufeld , X. Liu , M. H. Litt , L. Zhu , ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 5248.
|
[48] |
B. Yang , P. Qu , X. Peng , X. Liu , Polym. Plast. Technol. Mat. 2018, 58, 1245.
|
[49] |
J. Wei , T. Ju , W. Huang , J. Song , N. Yan , F. Wang , A. Shen , Z. Li , L. Zhu , Polymer 2019, 178, 121688.
|
[50] |
Y. Zhu , C. Ma , H. Han , R. Sun , X. Liao , M. Xie , Polym. Chem. 2019, 10, 2447.
|
[51] |
Y. Zhu , F. Ma , C. Ma , H. Han , R. Sun , H. Peng , M. Xie , Polymer 2019, 184, 121886.
|
[52] |
F. Wen , L. Zhang , P. Wang , L. Li , J. Chen , C. Chen , W. Wu , G. Wang , S. Zhang , J. Mater. Chem. A 2020, 8, 15122.
|
[53] |
J. Gong , C. Ma , Y. Quan , R. Sun , X. Liao , H. Peng , M. Xie , Polymer 2021, 231, 124127.
|
[54] |
Y. Han , M. Shen , Y. Xu , L. Yang , Y. Xue , W. Tao , J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2021, 32, 6249.
|
[55] |
L.-J. Zhang , J. Liu , L.-B. Luo , X.-Y. Liu , X. Wang , Polymer 2022, 245, 124702.
|
[56] |
R. Zhang , L. Li , S. Long , P. Wang , F. Wen , J. Yang , G. Wang , J. Mater. Chem. C 2022, 10, 3480.
|
[57] |
W. Zheng , T. Yang , L. Qu , X. Liang , C. Liu , C. Qian , T. Zhu , Z. Zhou , C. Liu , S. Liu , Z. Chi , J. Xu , Y. Zhang , Chem. Eng. J. 2022, 436, 135060.
|
/
〈 | 〉 |