基于Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯儲能密度的仿真研究

林鐸 陳芬生 梁珀榮 陳駿耀

摘要：近年來，聚偏氟乙烯（PVDF）由于其擁有較高的耐擊穿電壓特性，因此以其為基體的復合材料常被用于做薄膜電容器的電介質。本文基于多物理場仿真軟件Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯薄膜電容器進行建模仿真，探究其儲能密度。

關鍵詞：Comsol Multiphysics；儲能密度；薄膜電容器；聚偏氟乙烯（PVDF）；耐擊穿電壓

一、引言

近年來隨著手機、PAD以及筆記本等便攜式設備普及和發展，對儲能電容器提出了小型化、低成本、輕質量、高可靠性及高能量密度等更高要求。因此，如何在有限的器件空間里儲存更多的能量，即提高器件的儲能密度成為了研究重點。薄膜電容器是一種儲能密度較高的儲能器件。薄膜電容器的儲能密度與其本身電介質和加在其上面的電場強度有關。本文使用多物理場仿真軟件Comsol Multiphysics對聚偏氟乙烯充當電介質的薄膜電容器進行建模仿真，探究其儲能密度。

二、Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件介紹

Comsol Multiphysics擁有多種物理場接口，如靜電場，磁場等，涵蓋了電學，聲學，化學，電化學，流體學，熱力學，光學，半導體學，結構力學等多種學科和領域。Comsol Multiphysics的核心功能在于可以把這些物理場耦合起來進行仿真，最大程度的模擬實際的實驗，可以快速的得到仿真實驗的結果，具有省時省力的特點，還可以用于在實際實驗前對實驗的可行性先進行探究，作為判斷是否有必要進行實際實驗的依據之一。本文使用Comsol Multiphysics里的靜電場接口進行仿真。

三、實驗原理

四、建模仿真與實驗結果

本文以Jiaojiao Wei[1]的實驗為基礎進行建模仿真。選取PVDF作為平行電容板的電介質，設定PVDF的相對介電常數為9.07，對電容板施加電壓為867V[1]，探究其最大儲能密度。

基本步驟如下：

（1）新建Comsol Multiphysics模型，對模型的基本設置進行配置

模型向導→選擇空間維度（三維）→選擇物理場（靜電）→選擇研究（穩態）；

（2）構建幾何模型

選擇長度單位（μm）→新建圓柱1體用作電介質（半徑10，高度12）→新建圓柱體2及其鏡像用作平行板（半徑10，高度0.5）；

（3）配置幾何模型的材料

增加材料→選擇PVDF→配置PVDF的介電常數為9.07[1]→配置PVDF的幾何實體（選擇所有域）；

（4）配置靜電場

配置靜電場的域（選擇所有域）→新建終端（選擇域為圓柱體2，選擇電壓為867V）→新建接地（選擇域為圓柱體2的鏡像）；

（5）配置網格

新建自由剖分四面體網格 1→尺寸選擇較粗化；

（6）配置研究

選擇生成缺省圖→計算結果；

（7）配置缺省圖

替換電勢3D繪圖組的表達式為es.W，單位為J/m3。

仿真實驗所得薄膜電容器的儲能密度為2.12×105 J/m3（0.21J/cc），與Jiaojiao Wei[1]的實驗結果（表1所示）保持一致，可認為模型正確。

五、結語

本文利用Comsol Multiphysics建立了一個較為準確的模型，準確地對聚偏氟乙烯薄膜電容器的儲能密度特性進行了仿真探究，得到的結果與實際實驗數據相一致。隨著電動汽車、便攜式移動設備等產業的發展，對電子器件的儲能密度要求越來越高，可以利用本文的方法對聚偏氟乙烯等各種電介質材料進行建模，分析其儲能密度、耐擊穿電壓、局域漏電流等介電性能。

參考文獻：

[1]位姣姣.高儲能密度電容器用聚合物薄膜介電擊穿特性研究[D].電子科技大學.2015.