具有高儲能密度和高可靠性的柔性聚合物電介質(zhì)儲能器件在高能脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的應用。目前，科研工作者大多通過在聚合物基體材料中引入高介電無機填充相，以增強復合介質(zhì)的極化能力并改善其儲能性能。然而，摻雜高含量的無機填充相勢必嚴重劣化聚合物薄膜本征的柔順性、增加復合介質(zhì)的介電損耗，同時因基體與填充相之間的介電錯配導致界面電場畸變嚴重和擊穿強度大幅降低。因此，探尋提高電介質(zhì)儲能器件能量存儲密度的有效策略是領(lǐng)域內(nèi)科研工作者的研究熱點。

近日，哈爾濱理工大學遲慶國教授研究團隊與清華大學黨智敏教授合作，通過控制0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZCT NFs)一維納米結(jié)構(gòu)的取向，調(diào)節(jié)BZCT-NFs與聚偏氟乙烯（PVDF）基體的相互作用，研究開發(fā)出一種兼具高儲能密度、高儲能效率與高熱導率的多功能型聚合物電介質(zhì)復合材料。相關(guān)成果以“Excellent energy storage performance and thermal property of polymerbasedcomposite induced by multifunctional one-dimensional nanofibersoriented in-plane direction”為題發(fā)表于國際著名期刊Nano Energy，第一作者是哈爾濱理工大學張月博士，通訊作者為哈爾濱理工大學張?zhí)鞐澆┦俊⑦t慶國教授和清華大學黨智敏教授。


（a）溶膠-凝膠法在BZCT-NFs表面覆蓋一層納米非晶硅相，（b1）BZCT-NFs和BZCT@SiO2-NFs的XRD圖，（b2）BZCT-NFs和BZCT@SiO2-NFs的FTIR光譜圖，（c1）BZCT-NFs和（c2）BZCT@SiO2-NFs的SEM圖，（d1）BZCT@SiO2-NFs的TEM和（d2）EDS圖，（e）復合材料XRD圖

該實驗工作設計了具有多功能的無機納米纖維填充相，并利用靜電紡絲技術(shù)實現(xiàn)了無機填充相的取向分布。在增強界面極化提高復合介質(zhì)極化強度的同時，有效緩解了界面電場畸變，使得擊穿強度大幅提高；同時，填充相取向分布實現(xiàn)了復合介質(zhì)呈現(xiàn)各向異性導熱特性，大幅提高了復合介質(zhì)的面內(nèi)熱導率。


常見聚合物電介質(zhì)的儲能密度和擊穿強度比較

通該工作實驗方法，3 vol%填充下BZCT@SiO2-PVDF復合材料的介電常數(shù)提高至15.8，在10 Hz時介電損耗僅為0.03，擊穿強度可達576 kV/mm（β~17.4），同時，放電能量密度明顯增加~18.9 J/cm3，效率顯著提高η~53.3%。在平面方向上排列的BZCT@SiO2-NFs增強了復合材料的導熱性，賦予聚合物復合材料優(yōu)異的散熱性。該工作不僅為制備性能優(yōu)異的聚合物介電納米復合材料提供了新的思路策略，也為儲能介電材料的產(chǎn)業(yè)化開辟了新的途徑。