利用分级界面调控显著提高聚合物纳米复合电介质的储能密度

电介质静电电容器是重要的基础电子元件,同时也是广泛用于电子电力系统、能源系统等领域的储能器件。在无源电子元件方面,电容器的使用量占到了40%以上。随着近年来电子设备发展的日新月异,特别是嵌入式电容器的兴起,需要广泛使用的电容器元件向高储能、小型化以及有利于环保的方向发展。而另一方面由于电力与能源系统的快速发展,电容器在太阳能发电、风力发电、智能电网并网系统、电力传输系统、混合动力汽车等新能源领域和心脏起搏器、高频脉冲电源等领域都起到越来越重要的角色,有着不可替代的作用。跟电化学储能器件(如: 电池、超级电容器)相比,介电电容器具有更高的功能密度,可在高电压下工作、并具有全固态结构的优点。但是其低的体积能量密度限制了其广泛的应用。

介电电容器的能量密度主要由电介质材料本身的介电强度和介电常数共同决定。聚合物由于其较高的击穿场强,良好的加工性能以及柔性的特点被广泛应用于电介质材料。但聚合物本身的介电常数较低,限制了其储能密度的提高。目前商用的薄膜电容器材料为双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene, BOPP),其介电常数只有1~2,尽管介电强度可达600 MV/m以上,但BOPP的储能密度仅为1~2 J/cm3。虽然采用高介电陶瓷作为填料与聚合物复合可以提升复合电介质的介电常数,但一般陶瓷填料的引入会导致聚合物击穿场强的明显降低。如何实现介电强度与介电常数的协同提升是提高电介质储能密度的关键。

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近日,清华大学材料学院南策文和沈洋课题组提出分级界面调控新途径,采用电纺丝方法将BaTiO3纳米粒子嵌入到了TiO2纳米纤维中(BaTiO3@TiO2),设计并制备了具有分级界面结构的纳米复合纤维。将此纳米复合纤维与聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(poly vinylidenefluoride-hexafluoro propylene,PVDF-HFP)进行复合,采用低成本的室温流延工艺制备了柔性聚合物复合膜。在大幅提升复合膜的介电常数的同时,其介电强度仍保持在~ 800 MV/m,实现了介电强度和介电常数的协同提升,从而实现了31.2 J/cm3的超高储能密度,这是目前已报道的聚合物纳米复合电介质材料中的最高值,较BOPP提高近15倍。在~ 800 MV/m的高电场强度下,复合电介质放电效率也保持在70%以上,显著高于BOPP在此电场下的放电效率(< 40%)。复合膜中的分级界面、以及复合纤维内部BaTiO3与TiO2之间界面处Ba-Ti原子互占位 (如原子尺度微结构表征、第一性原理计算、以及单根纤维的性能测试所证实的) 是导致中极化显著增强的原因。

该工作为破解聚合物复合材料中介电强度和介电常数之间的倒置耦合关系提供了一条新途径,所获得的高储能密度聚合物复合电介质有望进一步拓展电容器在高功率、高储能、高电场条件下的应用。

相关内容发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201503881)上,论文第一作者为清华大学材料学院博士生张鑫。  

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