Advanced Energy Materials: 氮化硼纳米片夹层结构的高能量密度聚合物电介质

由于其独特的充放电机制,静电电容器在储能材料中具有最高的功率密度。聚合物介电纳米复合材料被认为是用于储存静电能量的有前途的材料。先前的聚合物介电纳米复合材料通常是将聚合物与高体积分数(10%左右)的纳米填料结合,但这种方法严重损害了纳米复合材料的性能,例如聚合物基体/颗粒界面相关的材料缺陷,从而引起聚合物机械性能的明显降低,导致材料的储能密度和储能效率大幅下降。

近日,上海交通大学江平开教授团队和清华大学何金良教授团队在储能聚合物介电复合材料取得重大突破。通过简单的溶液涂膜法,制备出具有纳米尺寸的氮化硼纳米片(BNNS)夹层的新型复合介电薄膜,并且BNNS其沿着面内方向排列。在极低的纳米填料含量下,即体积分数0.16%,这种复合介电薄膜的放电能量密度达到14.3 J/cm3, 与聚合物基体相比具有显著的能量密度增强比(275%),创造了纳米填料低含量且高效率的新纪录。仅用体积分数0.16%的纳米填料实现的这种优异性能表明BNNS中间层的构造在改善聚合物电介质的储能性能方面具有优异的能力和效率。通过实验和模拟计算,研究了BNNS组装层的紧凑和连续结构可以在很大程度上缓和局部电场畸变和阻止电树枝传播的潜在机制。该工作为后续制备高能量密度和高储能效率的聚合物电介质提供了新的设计思路。 该工作以题为“High Energy Density Polymer Dielectrics Interlayered by Assembled Boron Nitride Nanosheets”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901826)上。上海交通大学博士生朱荧科为本文第一作者,上海交通大学黄兴溢教授和清华大学李琦副教授为本文的共同通讯作者。