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逆构型三明治复合材料:同时提高介电常数和击穿场强

随着现代工业的飞速发展,由化石燃料等不可再生能源的燃烧所带来的环境污染问题日益严峻,进而引发了对可再生能源的开发和对先进储能技术的探索。在众多储能器件中,介电电容器的功率密度最大、充放电速率最快,能最大效率转化风能、潮汐能等间歇性可再生能源,然而其较低的储能密度成为了阻碍器件小型化的关键问题。在电介质材料中,介电常数和击穿场强是决定其储能密度的两个关键物理参数。一般来说,高介电常数与高击穿场强互为矛盾关系,因此如何同时提高介电材料的介电常数与击穿场强成为了研究的热点。

为进一步开发复合材料在介电储能领域的潜力,西安交通大学汪宏教授课题组开发了一种逆构型三明治复合材料。在该结构中,高击穿层作为外层贴近电极设置,而高极化层则被夹在两个高击穿层中间。相比于传统的三明治结构,该逆构型三明治复合材料可以将击穿场强提高近1.5倍,同时将储能密度提高至原来的2倍。通过优化填料体积分数,该构型储能密度最大可达到26.4 J/cm3,并具有高达72%的充放电效率。上述储能特性为三明治类复合材料的最优值。有限元仿真结果显示在逆三明治结构中,由于绝缘层被放置在外侧,因此可以更好地抑制电极注入电荷对复合材料产生的影响,并从而提高了材料的电绝缘特性。该结构设计突破了之前三明治结构复合材料的击穿特性阈值,为开发新材料提供了全新的手段。

逆构型三明治复合材料:同时提高介电常数和击穿场强 Graphical Abstract

这项研究工作以“Ultrahigh energy density and greatly enhanced discharged efficiency of sandwich-structured polymer nanocomposites with optimized spatial organization”为题,于2017年12月发表在纳米能源类重要期刊Nano Energy(影响因子IF=12.343)上。该论文第一作者为电信学院在读博士生王轶飞,西安交通大学为该论文的第一作者与通讯作者单位。近年来,汪宏教授团队对介电储能复合材料的研究取得了一系列的重要成果。2015年开发出一种BaTiO3/PVDF三明治复合材料(Yifei Wang, Hong Wang*,Advanced Materials, 27,2015, 6658),并通过对陶瓷填料比例的优化将复合材料充放电效率提高至70%(Yifei Wang, Hong Wang*,Journal of Materials Chemistry A, 5,2017, 4710)。另外,在此基础上首次开发了一种具有梯度填料分布的陶瓷/聚合物复合材料,实现了在较低驱动电场下获得高储能密度(Yifei Wang, Hong Wang*,Journal of Materials Chemistry A, 5,2017, 10849)。以上科研成果为通过宏观结构调控手段优化电介质储能性能提供了新思路。

参与本项工作的还有美国宾州州立大学王庆教授。该工作得到了国家973项目以及国家自然科学基金的支持。

 

 

您可以通过以下方式引用和打开论文:

Wang Y, Wang L, Yuan Q, et al. Ultrahigh Energy Density and Greatly Enhanced Discharged Efficiency of Sandwich-Structured Polymer Nanocomposites with Optimized Spatial Organization[J]. Nano Energy, 2017.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517307917

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