聚合物基薄膜儲能電容器因其具有較高功能密度和超快的充放電響應(yīng)時間，是脈沖功率技術(shù)、電磁炮及激光等高能武器系統(tǒng)無可替代的核心儲能器件，以及在可再生能源轉(zhuǎn)化儲存、混合動力汽車等領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。但聚合物本身的介電常數(shù)較低、極化強(qiáng)度低等問題，限制了其儲存電能的能力。目前，科學(xué)家們采用在高擊穿場強(qiáng)聚合物中加入具有高介電常數(shù)無機(jī)填料的方法來制備具有高儲能密度的復(fù)合電介質(zhì)材料，但高體積分?jǐn)?shù)陶瓷顆粒的引入?yún)s會增大材料的能量損耗、降低其擊穿場強(qiáng)和使用壽命。因此，如何保證在提高介電常數(shù)的同時使擊穿場強(qiáng)得到進(jìn)一步提升，是獲得高儲能密度電介質(zhì)材料研究的難點之一。

 

目前，材料科學(xué)與工程學(xué)院翟繼衛(wèi)課題組通過無機(jī)填料的形貌以及無機(jī)填料與聚合物之間的界面進(jìn)行調(diào)控，在高儲能密度的復(fù)合電介質(zhì)材料取得了階段性的進(jìn)展。通過無機(jī)填料的形貌改善聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料的局域性電場強(qiáng)度（ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 4024 (2017)；ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 4707 (2017)）；采用界面調(diào)控改善復(fù)合材料的極化強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)（ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 14337 (2017)；J. Mater. Chem. A 4, 13259 (2016)；J. Mater. Chem. A 5,15217 (2017)）。該課題組在讀博士生潘仲彬為以上論文的第一作者。

 

為了實現(xiàn)低電壓下高的儲能密度，該課題組在無機(jī)填料的有序化方面也取得了階段性的進(jìn)展（ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 26343 (2016)；Nanoscale, 9, 4255 (2017)），翟繼衛(wèi)教授與澳門大學(xué)程海東教授聯(lián)合培養(yǎng)的博士生姚玲敏是這兩篇論文的第一作者。

 

近期，該課題組用“Topochemical”方法制備出了一種二維鈮酸鈉（2D NaNbO3）模板作為無機(jī)填料引入聚合物基體中，設(shè)計并制備出一種三明治結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合高儲能密度電介質(zhì)材料。在三明治結(jié)構(gòu)中，上下兩層為極化層、中間層為承壓層；通過調(diào)節(jié)上下兩層無機(jī)填料的體積分?jǐn)?shù)使中間層具有更高的耐壓性能，同時保證兩端層具有較大極化強(qiáng)度而實現(xiàn)高的儲能密度。通過模擬仿真驗證了2D NaNbO3模板以及三明治結(jié)構(gòu)各層間界面對復(fù)合材料的漏電流密度、局域性電場強(qiáng)度對復(fù)合材料的極化和擊穿場強(qiáng)的影響，揭示出界面效應(yīng)對材料擊穿場強(qiáng)及儲能密度提高的作用。該研究成果在期刊Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.09.004）上發(fā)表。該論文第一作者為本課題組在讀博士生潘仲彬。