中國科大李曉光團隊在高儲能電介質電容器研究中取得重要進展

【引言】

電介質電容器由于其超快的充放電速率和超高的功率密度，已經成為智能電網調頻、電磁炮等高能武器系統的核心器件，并在新能源電動汽車、可穿戴電子等領域具有廣闊應用前景。其中，成本低、易加工、耐高電壓的柔性聚合物是目前最有潛力的電容器電介質材料之一，但其低介電常數導致的低儲能密度限制了當今電子工業對器件小型化和高性能化的要求。針對這一難題，研究人員通常采用的策略是將高介電常數的無機填料加入到聚合物基體中，用于制備高儲能密度復合材料，但通常高體積分數的無機材料的加入會降低復合材料的擊穿電場強度，從而對使用安全和壽命造成影響。因此，在介電常數提高的同時進一步提升材料的擊穿場強，是獲得高儲能密度復合材料亟需解決的難點。

【成果簡介】

中國科學技術大學李曉光團隊聯合清華大學沈洋教授課題組在高儲能密度柔性電容器領域取得重要進展。研究者巧妙地利用帶負電無機填料的局域反向電場抑制二次碰撞電子的產生，從而阻礙擊穿相的形成發展，進而提升復合材料擊穿場強和儲能密度。該策略可推廣至不同的柔性聚合物電介質材料，為今后高儲能電容器的設計提供了一種全新的可行方案。該成果以“Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites”為題在線發表在《先進材料》（Adv. Mater.）雜志上。

研究人員制備出摻入少量帶負電的2維Ca₂Nb₃O₁₀填料的聚偏二氟乙烯（PVDF）基復合材料，并對其進行單向拉伸使填料平行于基體表面排布。在提高其介電常數的同時，獲得了極高的擊穿場強（~792 MV/m）和儲能密度（~36.2 J/cm³），該柔性電容器的儲能密度是目前已報道聚合物基復合材料中最高的，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電容器（20-29 J/cm³）。此外，相比于純的PVDF基體，復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電擊穿與電熱擊穿的發生。為了進一步驗證該策略的普適性，研究人員基于相場模擬和有限元計算驗證了納米片填料負電荷對抑制電擊穿的重要作用，并在聚苯乙烯（PS）基復合材料中同樣實現了擊穿場強與儲能密度的大幅提升。

【圖文導讀】

圖1 Ca₂Nb₃O₁₀（CNO）納米片的微結構表征

（a）原始CNO納米片的AFM圖片。

（b）AFM圖片中紅色和藍色虛線處的高度線掃曲線。

（c）納米片層數的統計分布。右上插圖為AFM圖中各高度對應的像素分布。

（d）納米片的TEM圖。

（e）納米片的HAADF圖像。插圖顯示了納米片的放大圖像和選區電子衍射圖。

（f）納米片的EDS圖譜。其中Cu元素的信號來自于承載納米片的超薄銅網。

圖2納米片的表面電位的測定

（a，b）納米片的形貌（a）和表面電位特性（b）。

（c，d）PEI、CNO納米片以及吸附有PEI的CNO納米片的EDS譜(c)和IR譜(d)。

圖3聚偏二氟乙烯（PVDF）基納米復合電容器的儲能性能

（a）復合材料擊穿場強的韋伯分布圖。其中實線表示利用雙參數韋伯分布對復合材料擊穿電場的擬合結果。

（b）復合材料的擊穿場強及最大可循環利用能量密度與摻入納米片的質量分數關系。

（c）復合材料的儲能效率隨外加電場的變化關系。

（d）不同聚合物基復合材料的韋伯擊穿場強與最大可循環利用能量密度的比較。

圖4 PVDF基復合材料擊穿相演化的相場模擬

（a-d）純PVDF基體在外加電場下的擊穿相演化。

（e-h）含電中性納米片的復合材料在外加電場下的擊穿相演化。

（i-l）含帶負電荷CNO納米片的復合材料在外加電場下擊穿相演化。

（m，n）在靠近電中性納米片（m）和帶負電荷CNO納米片（n）區域的局部電場分布。其中區域I和III指表面活性劑層，區域II指電中性納米片或CNO納米片層。

圖5 聚苯乙烯（PS）基納米復合電容器的儲能性能

（a）復合材料擊穿場強的韋伯分布圖。其中實線表示利用雙參數韋伯分布對復合材料擊穿電場的擬合結果。

（b）復合材料的擊穿場強及最大可循環利用能量密度與摻入納米片的質量分數關系。

（c-d）復合材料的可循環利用能量密度（c）與儲能效率（d）隨外加電場的變化關系。

【小結】

研究人員提出帶負電無機填料產生的局域反向電場能夠有效抑制二次碰撞電子的產生，從而阻礙復合材料的擊穿相的形成發展，進而提升復合材料擊穿場強和儲能密度。基于此，研究人員制備了摻入少量帶負電的2維Ca₂Nb₃O₁₀填料的聚偏二氟乙烯（PVDF）基復合材料。研究結果表明，在提高其介電常數的同時，獲得了極高的擊穿場強和目前已報道的聚合物基復合材料中最高的儲能密度。相場模擬和有限元計算驗證了該策略的普適性，即納米片填料負電荷對抑制電擊穿的重要作用，并且在聚苯乙烯（PS）基復合材料中同樣實現了擊穿場強與儲能密度的大幅度提升。該項研究工作為今后高能量密度柔性電介質儲能材料的實用化提供了全新的思路。

該項研究得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、中國科學技術大學“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907227