Adv. Funct. Mater.：高能量密度的三明治结构介电有机纳米复合材料

【引言】 

随着现代电子设备和电力系统对电能的需求不断增长，薄膜电容器凭借着其充放电速度快、超高功率密度、长循环寿命等优点，引起了人们广泛关注。但现在薄膜电容器能量密度低，这大大限制了薄膜电容器的应用，商业的二轴取向聚丙烯（BOPP）薄膜电容器能量密度只有2 J cm⁻³，与超级电容器、电池等器件相比有较大差距。提高介电材料的能量密度，可以让基于薄膜电容器的电子电力尺寸、质量、价格降低，稳定性提高，是现在急需解决的问题。线性介电材料能量密度主要与材料两个参数有关击穿强度和介电常数，有机介电材料一般具有很高的击穿强度，但是介电常数较低，现在的一些方法可以提高有机介电材料的介电常数但是常常要以降低击穿场强为代价。制备出高击穿场强、高介电常数的有机介电材料，对于有机薄膜电容器至关重要。

【成果简介】

近日，来自西安交通大学汪宏、武汉理工大学熊传溪和美国宾夕法尼亚州立大学Wang Qing（共同通讯作者）等人制备出了一种三明治结构介电有机纳米复合材料，其具有高的击穿强度、能量密度、功率密度，很快的放电速率和好的循环特性，大大推动了有机薄膜电容器的应用。

他们用热压的方法将三层纳米复合材料复合在一起，该材料的外层是由氮化硼纳米片分散于PVDF基质中所制备的纳米复合材料（PVDF/BNNS），该材料起到减小材料漏导电流和提高材料击穿场强的作用。该材料的中间层是由PVDF与钛酸锶钡纳米棒构成的纳米复合材料（PVDF/BST），其让最终的层状材料具有高的介电常数。他们还探讨了填充物BNNS和BST含量对材料电极化强度、击穿强度、能量密度等性质的影响，并确立了最优组分。他们也对该层状纳米复合材料的电树构造进行了模拟，并与实际击穿结果进行了比较。他们所制备的最优的层状纳米复合材料在威布尔统计击穿强度588 MV m⁻¹下放电密度高达20.5 J cm⁻³，这是迄今为止所有报道中最高的。此外，该材料也具有极高的电源密度0.91 MW cm⁻³，是商业BOPP材料电源密度的九倍多。

他们的工作为开发高性能介电有机纳米复合材料提供了一种新的设计思路，大大推动了介电有机纳米复合材料应用。

【图文导读】

图1  材料结构原理图及横截面SEM图

（a）中间层BST NW含量为8 vol%的三明治结构的纳米复合材料横截面SEM图片。

（b）外层为PVDF/BNNS，中间层为PVDF/BST的三明治结构膜的结构原理图。

（c）PVDF/BNNS层和PVDF/BST层之间界面区域的SEM图片。

图2  频率对不同组分材料的介电常数和介电损耗的影响

（a）频率与中间层BST NW含量不同的三明治结构的纳米复合材料介电常数关系曲线，插图是频率为1kHz下，三明治结构纳米复合材料介电常数与BST NW含量关系曲线。

（b）频率与中间层BST NW含量不同的三明治结构的纳米复合材料介电损耗关系曲线，插图是频率为1kHz下，三明治结构纳米复合材料介电损耗与BST NW含量关系曲线。

图3  不同组分材料的击穿强度统计和相关模拟

（a）三明治结构的纳米复合材料的威布尔统计图，显示的是击穿强度的分布。

（b）电压在550 MV m⁻¹下，不同BST NW含量的三明治结构的纳米复合材料的电树的发展模拟图。

图4  不同BST NW含量材料的威布尔统计击穿场强、最大电位移、放电能量密度

（a）三明治结构的纳米复合材料的威布尔统计击穿场强和最大电位移与中间层BST NW含量关系曲线。

（b）三明治结构的纳米复合材料的放电能量密度与中间层BST NW含量关系曲线。

图5  三明治结构的纳米复合材料放电能量密度、充放电效率与电场强度关系并与相关材料进行对比

（a）中层BST含量为8 vol%三明治结构的纳米复合材料放电能量密度与电场强度关系曲线，并与PVDF材料、BNNS含量为10 vol%的单层PVDF/BNNS纳米复合材料、BST含量为4 vol%的单层PVDF/BST纳米复合材料、BNNS含量为10 vol%以及BST含量为4 vol%的单层三元PVDF/BNNS/BST纳米复合材料进行对比。

（b）中层BST含量为8 vol%三明治结构的纳米复合材料充放电效率与电场强度关系曲线，并与PVDF材料、BNNS含量为10 vol%的单层PVDF/BNNS纳米复合材料、BST含量为4 vol%的单层PVDF/BST纳米复合材料、BNNS含量为10 vol%以及BST含量为4 vol%的单层三元PVDF/BNNS/BST纳米复合材料进行对比。

图6   三明治结构的纳米复合材料放电速度和循环特性

（a）BOPP和中层BST含量为8 vol%三明治结构的纳米复合材料放电能量密度与时间的关系。所有样品都在200 MV m⁻¹电场下极化。

（b）200 MV m⁻¹电场下, 中层BST含量为8 vol%三明治结构的纳米复合材料循环特性。

【小结】

他们成功制备出了一种具有高能量密度的三明治结构的纳米复合材料，PVDF/BNNS纳米复合材料被置于外层，而高极化PVDF/BST NW纳米复合材料被置于中间层。他们的工作与现在设计多层介电有机复合材料不同，现在主要是中间层来降低漏导电流，外层来提高介电常数。经过组分优化后的三明治结构的纳米复合材料具有高的击穿强度、高能量密度等优良特性，性能大幅领先现在商业的BOPP材料。他们的工作可能促进有机铁电纳米复合材料和柔性高能储存设备的大幅发展。

文献链接：High-Energy-Density Dielectric Polymer Nanocomposites with Trilayered Architecture（Advanced  Functional Materials,2017, DOI/10.1002/adfm.201606292/full）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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