基于Comsol Multiphysics对聚偏氟乙烯储能密度的仿真研究

林铎 陈芬生 梁珀荣 陈骏耀

摘要：近年来，聚偏氟乙烯（PVDF）由于其拥有较高的耐击穿电压特性，因此以其为基体的复合材料常被用于做薄膜电容器的电介质。本文基于多物理场仿真软件Comsol Multiphysics对聚偏氟乙烯薄膜电容器进行建模仿真，探究其储能密度。

关键词：Comsol Multiphysics；储能密度；薄膜电容器；聚偏氟乙烯（PVDF）；耐击穿电压

一、引言

近年来随着手机、PAD以及笔记本等便携式设备普及和发展，对储能电容器提出了小型化、低成本、轻质量、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间里储存更多的能量，即提高器件的储能密度成为了研究重點。薄膜电容器是一种储能密度较高的储能器件。薄膜电容器的储能密度与其本身电介质和加在其上面的电场强度有关。本文使用多物理场仿真软件Comsol Multiphysics对聚偏氟乙烯充当电介质的薄膜电容器进行建模仿真，探究其储能密度。

二、Comsol Multiphysics多物理场仿真软件介绍

Comsol Multiphysics拥有多种物理场接口，如静电场，磁场等，涵盖了电学，声学，化学，电化学，流体学，热力学，光学，半导体学，结构力学等多种学科和领域。Comsol Multiphysics的核心功能在于可以把这些物理场耦合起来进行仿真，最大程度的模拟实际的实验，可以快速的得到仿真实验的结果，具有省时省力的特点，还可以用于在实际实验前对实验的可行性先进行探究，作为判断是否有必要进行实际实验的依据之一。本文使用Comsol Multiphysics里的静电场接口进行仿真。

三、实验原理

四、建模仿真与实验结果

本文以Jiaojiao Wei[1]的实验为基础进行建模仿真。选取PVDF作为平行电容板的电介质，设定PVDF的相对介电常数为9.07，对电容板施加电压为867V[1]，探究其最大储能密度。

基本步骤如下：

（1）新建Comsol Multiphysics模型，对模型的基本设置进行配置

模型向导→选择空间维度（三维）→选择物理场（静电）→选择研究（稳态）；

（2）构建几何模型

选择长度单位（μm）→新建圆柱1体用作电介质（半径10，高度12）→新建圆柱体2及其镜像用作平行板（半径10，高度0.5）；

（3）配置几何模型的材料

增加材料→选择PVDF→配置PVDF的介电常数为9.07[1]→配置PVDF的几何实体（选择所有域）；

（4）配置静电场

配置静电场的域（选择所有域）→新建终端（选择域为圆柱体2，选择电压为867V）→新建接地（选择域为圆柱体2的镜像）；

（5）配置网格

新建自由剖分四面体网格 1→尺寸选择较粗化；

（6）配置研究

选择生成缺省图→计算结果；

（7）配置缺省图

替换电势3D绘图组的表达式为es.W，单位为J/m3。

仿真实验所得薄膜电容器的储能密度为2.12×105 J/m3（0.21J/cc），与Jiaojiao Wei[1]的实验结果（表1所示）保持一致，可认为模型正确。

五、结语

本文利用Comsol Multiphysics建立了一个较为准确的模型，准确地对聚偏氟乙烯薄膜电容器的储能密度特性进行了仿真探究，得到的结果与实际实验数据相一致。随着电动汽车、便携式移动设备等产业的发展，对电子器件的储能密度要求越来越高，可以利用本文的方法对聚偏氟乙烯等各种电介质材料进行建模，分析其储能密度、耐击穿电压、局域漏电流等介电性能。

参考文献：

[1]位姣姣.高储能密度电容器用聚合物薄膜介电击穿特性研究[D].电子科技大学.2015.