Small Methods: 铁电聚合物基纳米复合电介质储能材料的发展与展望

作为电容储能器件的核心组成部分,高能量密度电介质材料在智能电网、电动汽车和高能设备等先进装备领域具有重要的实用价值,而电介质材料能量密度的进一步提高是满足先进电力设备与电子器件小型化要求的关键要素。聚合物材料具有成本低、易加工、柔性好、耐受电压高且功率密度高等优点, 其中, 铁电聚合物由于具有已知聚合物中最高的介电常数(≥10),成为最具潜力的电容器薄膜的替代材料。近年来,随着纳米技术的飞速发展,通过有机-无机复合手段,将具有优异性能的无机纳米材料引入铁电聚合物基体中从而大幅提高电容器薄膜的储能特性引起了研究人员的广泛关注。

近日,美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系Qing Wang教授课题组与西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室彭宗仁教授课题组合作, 系统地评述了铁电聚合物基纳米复合电介质在高能量密度电容储能领域的最新研究进展并对该领域未来的发展趋势进行了展望。 文章系统化地介绍了具有零维、一维和二维纳米结构填料,表面改性纳米填料,定向和分层结构纳米填料以及多种纳米填料共同掺杂的铁电聚合物基纳米电介质的制备方法,对电容储能薄膜中不同纳米结构对材料的介电常数与损耗、击穿强度、储能密度与效率等性能的综合影响进行了总结、分析与讨论。文章指出,铁电聚合物储能领域在过去几年中取得了令人振奋的进展,研究人员通过利用铁电聚合物的固有优点即较高的介电常数,结合各种创新方法,包括填料的表面功能化改性、引入宽带隙纳米填料和对铁电聚合物基体进行化学交联等,有效地抑制了铁电聚合物复合电介质的介电损耗。此外,文章着重介绍了将多种具有互补功能的纳米填料引入到铁电聚合物中的设计理念以及设计具有层状结构铁电聚合物复合纳米电介质薄膜的最新进展。文章同时指出,在电容薄膜储能领域,仍有一些关键问题亟待解决。比如铁电聚合物复合电介质的充-放电效率需要进一步提高,才能达到与目前商用电容器使用的双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜相当的水平;铁电聚合物中电活性组分的界面耦合效应, 以及在施加电场的条件下聚合物微结构与其介电性能之间的关联因素需要更深层次的理解; 大规模、低成本、高质量的聚合物基纳米复合薄膜制备的关键技术需要进一步发展。作为一个高度跨学科的领域,铁电聚合物储能领域进展的关键取决于跨越传统边界的学科交叉与合作。通过合成化学家、材料科学家、材料工程师以及电气工程师的共同努力,铁电聚合物基纳米复合电介质储能材料的快速发展计日可期。

相关综述论文发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700399)上, 第一作者是博士研究生李禾。

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