同濟大學Nano Energy：在三明治結構復合材料中NaNbO3 2D模板誘導高的儲能密度

【引言】

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時間，是脈沖功率技術、電磁炮及激光等高能武器系統無可替代的核心儲能器件，以及在可再生能源轉化儲存、混合動力汽車等領域也得到廣泛的應用。但聚合物本身的介電常數較低、極化強度低等問題，限制了其儲能電能的能力。目前，科學家們采用在高擊穿場強聚合物中加入具有高介電常數無機填料的方法來制備具有高儲能密度的復合電介質材料，但高體積分數陶瓷顆粒的引入卻會增大材料的漏導損耗、降低其擊穿場強。因此，如何保證在提高介電常數的同時也使得擊穿場強得到進一步提升，仍是獲得高儲能密度電介質材料研究的熱點。

?【成果簡介】

近日，同濟大學材料科學與工程學院翟繼衛（通訊作者）、潘仲彬（第一作者）課題組在Nano Energy上發表了題為“NaNbO₃ Two-Dimensional Platelets Induced Highly Energy Storage Density in Trilayered Architecture Composites”文章。在該文中，研究人員用“Topochemical”方法制備出了一種二維鈮酸鈉（2D NaNbO₃）模板作為無機填料引入聚合物基體中，設計并制備出一種三明治結構的聚合物復合高儲能密度電介質材料。在三明治結構中，上下兩層為極化層、中間層為承壓層；通過調節上下兩層無機填料的體積分數使中間層具有更強的耐壓性能，同時保證兩端層具有較大極化強度而實現高的儲能密度。通過模擬仿真驗證了2D NaNbO₃模板以及三明治結構各層間界面對整個復合材料的漏電流密度、以及局域性電場強度對復合材料的極化和擊穿場強的影響，同時揭示出界面效應對材料擊穿場強及儲能密度提高的作用。

【圖文導讀】

?圖一 三明治復合材料的結構示意圖

三明治復合材料的結構示意圖

圖二 2D NaNbO₃模板形貌及結構表征

2D NaNbO₃（a）“topochemical”法制備示意圖；（b）前驅體SEM圖；（c）模板SEM圖；（d）模板疇結構亮場TEM圖；（e）HRTEM圖；（f）模板XRD圖。

?圖三三明治復合材料的形貌及結構圖

（a）2D NN@PDA 模板的TEM圖;（b） 2D NN 模板和2D NN@PDA 模板的XPS 圖; 3-0-3復合材料的（c）中間層和?（d）外層表面圖;（e） 3-0-3復合材料的截面; （f）純 PVDF、2D NN 模板和 3-0-3 三明治復合材料的XRD圖。

圖四 三明治復合材料的介電性能

三明治復合材料（a）介電常數、（b）介電損耗隨頻率的變化關系；（c）漏電流密度與電場之間的依賴關系。

圖五 三明治復合材料的擊穿場強、儲能密度、效率、電導損耗以及鐵電損耗比較圖

三明治復合材料的（a）擊穿場強、（b）儲能密度、（c）效率、（e）電導損耗以及（f）鐵電損耗隨電場變化的比較圖；（d）不同填料的復合材料擊穿場強、儲能密度以及效率對比圖。

圖六 單層和三明治結構復合材料的局域電場強度模擬仿真圖

在應用電場為6000v，局域性電場三維模擬仿真圖（a）3-0-3復合材料、（b）3 vol.% NN/PVDF；（c）、（d）為（a）的截面圖；（e）、（f）為（b）的截面圖。

圖七 純聚合物、單層和三明治結構的儲能密度、效率、電導損耗以及鐵電損耗比較圖

純聚合物、單層和三明治結構的（a）儲能密度、（b）效率、（c）電導損耗以及（d）鐵電損耗隨電場變化的比較圖

?圖八 單層和三明治結構復合材料的漏電流密度模擬仿真圖

在應用電場為6000v，漏電流密度三維模擬仿真圖（a）3-0-3復合材料、（b）3 vol.% NN/PVDF；（c）、（d）為（a）的截面圖；（e）、（f）為（b）的截面圖。

圖九 復合材料的簡單電容器性能評價

在應用電場為200 MV/m，BOPP和5-0-5復合材料的（a）放電能量密度；（b）功能密度的比較。

【小結】

在這項工作中，研究人員巧妙地設計并利用層層流延的方法制備出一種三明治結構的聚合物復合高儲能密度電介質材料。實驗結果表明，三明治結構復合材料的擊穿場強可以通過上下兩層無極填料的含量進行調控而實現高的儲能密度。優化后的三明治復合材料具有最高的儲能密度為13.5 J cm^-3 其擊穿電壓為400 MV m^-1,并獲得了一個高的功能密度2.68 MW cm^-3和快的放電時間0.127 ms。該研究工作提出的宏觀結構設計方法為進一步開發新型高儲能密度電介質材料提供了新思路。?

文章鏈接：NaNbO₃ two-dimensional platelets induced highly energy storage density in trilayered architecture composites (Nano Energy, 2017, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.09.004)

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