研究|具有优异储能、热性能的复合材料

具有高储能密度和高可靠性的柔性聚合物电介质储能器件在高能脉冲功率技术领域有着不可替代的应用。目前，科研工作者大多通过在聚合物基体材料中引入高介电无机填充相，以增强复合介质的极化能力并改善其储能性能。然而，掺杂高含量的无机填充相势必严重劣化聚合物薄膜本征的柔顺性、增加复合介质的介电损耗，同时因基体与填充相之间的介电错配导致界面电场畸变严重和击穿强度大幅降低。因此，探寻提高电介质储能器件能量存储密度的有效策略是领域内科研工作者的研究热点。

近日，哈尔滨理工大学迟庆国教授研究团队与清华大学党智敏教授合作，通过控制0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZCT NFs)一维纳米结构的取向，调节BZCT-NFs与聚偏氟乙烯（PVDF）基体的相互作用，研究开发出一种兼具高储能密度、高储能效率与高热导率的多功能型聚合物电介质复合材料。相关成果以“Excellent energy storage performance and thermal property of polymerbasedcomposite induced by multifunctional one-dimensional nanofibersoriented in-plane direction”为题发表于国际著名期刊Nano Energy，第一作者是哈尔滨理工大学张月博士，通讯作者为哈尔滨理工大学张天栋博士、迟庆国教授和清华大学党智敏教授。


（a）溶胶-凝胶法在BZCT-NFs表面覆盖一层纳米非晶硅相，（b1）BZCT-NFs和BZCT@SiO2-NFs的XRD图，（b2）BZCT-NFs和BZCT@SiO2-NFs的FTIR光谱图，（c1）BZCT-NFs和（c2）BZCT@SiO2-NFs的SEM图，（d1）BZCT@SiO2-NFs的TEM和（d2）EDS图，（e）复合材料XRD图

该实验工作设计了具有多功能的无机纳米纤维填充相，并利用静电纺丝技术实现了无机填充相的取向分布。在增强界面极化提高复合介质极化强度的同时，有效缓解了界面电场畸变，使得击穿强度大幅提高；同时，填充相取向分布实现了复合介质呈现各向异性导热特性，大幅提高了复合介质的面内热导率。


常见聚合物电介质的储能密度和击穿强度比较

通该工作实验方法，3 vol%填充下BZCT@SiO2-PVDF复合材料的介电常数提高至15.8，在10 Hz时介电损耗仅为0.03，击穿强度可达576 kV/mm（β~17.4），同时，放电能量密度明显增加~18.9 J/cm3，效率显著提高η~53.3%。在平面方向上排列的BZCT@SiO2-NFs增强了复合材料的导热性，赋予聚合物复合材料优异的散热性。该工作不仅为制备性能优异的聚合物介电纳米复合材料提供了新的思路策略，也为储能介电材料的产业化开辟了新的途径。