中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李曉光團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)教授沈洋課題組在高儲(chǔ)能密度柔性電容器領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究者成功找到了一種可以大幅度提高聚合物基復(fù)合材料擊穿電場強(qiáng)度和介電儲(chǔ)能密度的方法，該方法可推廣至不同的柔性聚合物電介質(zhì)材料，為今后高儲(chǔ)能電容器的設(shè)計(jì)提供了一種可行的方案。該成果以Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites 為題在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater.）雜志上。
電介質(zhì)電容器由于其超快的充放電速率和超高的功率密度，成為智能電網(wǎng)調(diào)頻、電磁炮等高能武器系統(tǒng)的核心器件，并在新能源電動(dòng)汽車、可穿戴電子等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。其中，成本低、易加工、耐高電壓的柔性聚合物是最有潛力的電容器電介質(zhì)材料之一，但其低介電常數(shù)導(dǎo)致的低儲(chǔ)能密度限制了當(dāng)今電子工業(yè)對(duì)器件小型化和高性能化的要求。針對(duì)這一難題，人們提出將高介電常數(shù)的無機(jī)填料加入到聚合物基體中，用于制備高儲(chǔ)能密度復(fù)合材料，但通常高體積分?jǐn)?shù)的無機(jī)材料的加入會(huì)降低復(fù)合材料擊穿電場強(qiáng)度，對(duì)使用安全和壽命造成影響。因此，在介電常數(shù)提高的同時(shí)進(jìn)一步提升材料擊穿場強(qiáng)，是獲得高儲(chǔ)能密度復(fù)合材料亟需解決的難點(diǎn)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，合作團(tuán)隊(duì)提出了一種普適的可行策略，即利用帶負(fù)電無機(jī)填料的局域反向電場抑制二次碰撞電子的產(chǎn)生，從而阻礙擊穿相的形成發(fā)展，進(jìn)而提升復(fù)合材料擊穿場強(qiáng)和儲(chǔ)能密度?；诖?，研究人員制備出摻入少量帶負(fù)電的2維Ca2Nb3O10填料的聚偏二氟乙烯（PVDF）基復(fù)合材料，在提高其介電常數(shù)的同時(shí)，獲得了極高的擊穿場強(qiáng)（~792 MV/m）和儲(chǔ)能密度（~36.2 J/cm3），該柔性電容器的儲(chǔ)能密度是目前已報(bào)道聚合物基復(fù)合材料中最高的，是目前最好的商用雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜電容器的18倍，甚至超過了商用電化學(xué)電容器（20-29 J/cm3）。此外，相比于PVDF基體，復(fù)合材料的楊氏模量也有明顯的提高而漏電流密度依然維持在較低水平，這些分別有利于避免機(jī)電擊穿與電熱擊穿的發(fā)生。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該策略的普適性，研究人員基于相場模擬和有限元計(jì)算驗(yàn)證了納米片填料負(fù)電荷對(duì)抑制電擊穿的重要作用，并在聚苯乙烯（PS）基復(fù)合材料中同樣實(shí)現(xiàn)了擊穿場強(qiáng)與儲(chǔ)能密度的大幅提升。該項(xiàng)研究工作為今后高能量密度柔性電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的實(shí)用化提供了全新的思路。
中國科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和物理學(xué)院教授李曉光、殷月偉以及清華大學(xué)材料學(xué)院教授沈洋為論文通訊作者。中國科大博士生包志偉、侯闖明和清華大學(xué)博士生沈忠慧為論文共同第一作者。
該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科大“雙一流”人才團(tuán)隊(duì)平臺(tái)項(xiàng)目的資助。
圖例說明：a. 復(fù)合材料示意圖。b. 復(fù)合材料電擊穿過程的相場模擬中，帶負(fù)電Ca2Nb3O10納米片對(duì)電樹枝發(fā)展起阻礙作用。c. PVDF基復(fù)合材料與純PVDF的儲(chǔ)能密度與電場的關(guān)系。d. 不同聚合物基納米復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度和能量密度的對(duì)比。
