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

近日，哈爾濱理工大學(xué)遲慶國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)黨智敏教授合作，通過(guò)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(kāi)發(fā)出一種兼具高儲(chǔ)能密度、高儲(chǔ)能效率與高熱導(dǎo)率的多功能型聚合物電介質(zhì)復(fù)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(guó)際著名期刊Nano Energy，第一作者是哈爾濱理工大學(xué)張?jiān)虏┦?，通訊作者為哈爾濱理工大學(xué)張?zhí)鞐澆┦俊⑦t慶國(guó)教授和清華大學(xué)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(fù)合材料XRD圖

該實(shí)驗(yàn)工作設(shè)計(jì)了具有多功能的無(wú)機(jī)納米纖維填充相，并利用靜電紡絲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)填充相的取向分布。在增強(qiáng)界面極化提高復(fù)合介質(zhì)極化強(qiáng)度的同時(shí)，有效緩解了界面電場(chǎng)畸變，使得擊穿強(qiáng)度大幅提高；同時(shí)，填充相取向分布實(shí)現(xiàn)了復(fù)合介質(zhì)呈現(xiàn)各向異性導(dǎo)熱特性，大幅提高了復(fù)合介質(zhì)的面內(nèi)熱導(dǎo)率。


常見(jiàn)聚合物電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度和擊穿強(qiáng)度比較

通該工作實(shí)驗(yàn)方法，3 vol%填充下BZCT@SiO2-PVDF復(fù)合材料的介電常數(shù)提高至15.8，在10 Hz時(shí)介電損耗僅為0.03，擊穿強(qiáng)度可達(dá)576 kV/mm（β~17.4），同時(shí)，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(qiáng)了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，賦予聚合物復(fù)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(fù)合材料提供了新的思路策略，也為儲(chǔ)能介電材料的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)辟了新的途徑。