Adv. Funct. Mater.：高能量密度的三明治結構介電有機納米復合材料

【引言】?

隨著現代電子設備和電力系統對電能的需求不斷增長，薄膜電容器憑借著其充放電速度快、超高功率密度、長循環壽命等優點，引起了人們廣泛關注。但現在薄膜電容器能量密度低，這大大限制了薄膜電容器的應用，商業的二軸取向聚丙烯（BOPP）薄膜電容器能量密度只有2 J cm^?3，與超級電容器、電池等器件相比有較大差距。提高介電材料的能量密度，可以讓基于薄膜電容器的電子電力尺寸、質量、價格降低，穩定性提高，是現在急需解決的問題。線性介電材料能量密度主要與材料兩個參數有關擊穿強度和介電常數，有機介電材料一般具有很高的擊穿強度，但是介電常數較低，現在的一些方法可以提高有機介電材料的介電常數但是常常要以降低擊穿場強為代價。制備出高擊穿場強、高介電常數的有機介電材料，對于有機薄膜電容器至關重要。

【成果簡介】

近日，來自西安交通大學汪宏、武漢理工大學熊傳溪和美國賓夕法尼亞州立大學Wang Qing（共同通訊作者）等人制備出了一種三明治結構介電有機納米復合材料，其具有高的擊穿強度、能量密度、功率密度，很快的放電速率和好的循環特性，大大推動了有機薄膜電容器的應用。

他們用熱壓的方法將三層納米復合材料復合在一起，該材料的外層是由氮化硼納米片分散于PVDF基質中所制備的納米復合材料（PVDF/BNNS），該材料起到減小材料漏導電流和提高材料擊穿場強的作用。該材料的中間層是由PVDF與鈦酸鍶鋇納米棒構成的納米復合材料（PVDF/BST），其讓最終的層狀材料具有高的介電常數。他們還探討了填充物BNNS和BST含量對材料電極化強度、擊穿強度、能量密度等性質的影響，并確立了最優組分。他們也對該層狀納米復合材料的電樹構造進行了模擬，并與實際擊穿結果進行了比較。他們所制備的最優的層狀納米復合材料在威布爾統計擊穿強度588 MV m^?1下放電密度高達20.5 J cm^?3，這是迄今為止所有報道中最高的。此外，該材料也具有極高的電源密度0.91 MW cm^?3，是商業BOPP材料電源密度的九倍多。

他們的工作為開發高性能介電有機納米復合材料提供了一種新的設計思路，大大推動了介電有機納米復合材料應用。

【圖文導讀】

圖1? 材料結構原理圖及橫截面SEM圖

（a）中間層BST NW含量為8 vol%的三明治結構的納米復合材料橫截面SEM圖片。

（b）外層為PVDF/BNNS，中間層為PVDF/BST的三明治結構膜的結構原理圖。

（c）PVDF/BNNS層和PVDF/BST層之間界面區域的SEM圖片。

圖2? 頻率對不同組分材料的介電常數和介電損耗的影響

（a）頻率與中間層BST NW含量不同的三明治結構的納米復合材料介電常數關系曲線，插圖是頻率為1kHz下，三明治結構納米復合材料介電常數與BST NW含量關系曲線。

（b）頻率與中間層BST NW含量不同的三明治結構的納米復合材料介電損耗關系曲線，插圖是頻率為1kHz下，三明治結構納米復合材料介電損耗與BST NW含量關系曲線。

圖3? 不同組分材料的擊穿強度統計和相關模擬

（a）三明治結構的納米復合材料的威布爾統計圖，顯示的是擊穿強度的分布。

（b）電壓在550 MV m^?1下，不同BST NW含量的三明治結構的納米復合材料的電樹的發展模擬圖。

圖4? 不同BST NW含量材料的威布爾統計擊穿場強、最大電位移、放電能量密度

（a）三明治結構的納米復合材料的威布爾統計擊穿場強和最大電位移與中間層BST NW含量關系曲線。

（b）三明治結構的納米復合材料的放電能量密度與中間層BST NW含量關系曲線。

圖5 ?三明治結構的納米復合材料放電能量密度、充放電效率與電場強度關系并與相關材料進行對比

（a）中層BST含量為8 vol%三明治結構的納米復合材料放電能量密度與電場強度關系曲線，并與PVDF材料、BNNS含量為10 vol%的單層PVDF/BNNS納米復合材料、BST含量為4 vol%的單層PVDF/BST納米復合材料、BNNS含量為10 vol%以及BST含量為4 vol%的單層三元PVDF/BNNS/BST納米復合材料進行對比。

（b）中層BST含量為8 vol%三明治結構的納米復合材料充放電效率與電場強度關系曲線，并與PVDF材料、BNNS含量為10 vol%的單層PVDF/BNNS納米復合材料、BST含量為4 vol%的單層PVDF/BST納米復合材料、BNNS含量為10 vol%以及BST含量為4 vol%的單層三元PVDF/BNNS/BST納米復合材料進行對比。

圖6 ??三明治結構的納米復合材料放電速度和循環特性

（a）BOPP和中層BST含量為8 vol%三明治結構的納米復合材料放電能量密度與時間的關系。所有樣品都在200 MV m^?1電場下極化。

（b）200 MV m^?1電場下, 中層BST含量為8 vol%三明治結構的納米復合材料循環特性。

【小結】

他們成功制備出了一種具有高能量密度的三明治結構的納米復合材料，PVDF/BNNS納米復合材料被置于外層，而高極化PVDF/BST NW納米復合材料被置于中間層。他們的工作與現在設計多層介電有機復合材料不同，現在主要是中間層來降低漏導電流，外層來提高介電常數。經過組分優化后的三明治結構的納米復合材料具有高的擊穿強度、高能量密度等優良特性，性能大幅領先現在商業的BOPP材料。他們的工作可能促進有機鐵電納米復合材料和柔性高能儲存設備的大幅發展。

文獻鏈接：High-Energy-Density Dielectric Polymer Nanocomposites with Trilayered Architecture（Advanced ?Functional Materials,2017, DOI/10.1002/adfm.201606292/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷！