【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院和鄭州研究院常云飛教授、王大偉教授課題組提出一種在基體中引入二維鉍層狀鐵電微晶以及構(gòu)建復(fù)合物雙層結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計方法，突破了聚合物基介電材料在儲能性能提升方面的限制。相關(guān)研究成果以《通過引入二維鐵電微晶實(shí)現(xiàn)聚合物基雙層復(fù)合材料的高儲能性能》(Superior energy storage capacity of polymer-based bilayer composites by introducing 2D ferroelectric micro-sheets)為題發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上。
 

　　聚合物基介質(zhì)電容器具有充放電速率快、功率密度高、柔性好、可以自愈等優(yōu)點(diǎn)，在儲能器件和先進(jìn)電子電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，聚合物基介電材料存在擊穿場強(qiáng)不高、介電常數(shù)較低以及電遲滯高的問題，難以同時獲得大幅度提升的儲能密度和儲能效率，阻礙了相關(guān)器件和系統(tǒng)向高性能化、微型化及輕量化方向的發(fā)展。
 

通過在基體中引入二維鐵電微晶和構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料的高儲能性能
 

　　針對此現(xiàn)狀，常云飛教授、王大偉教授課題組提出了在聚合物基體中引入二維鉍層狀鐵電Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)片狀微晶以及構(gòu)建復(fù)合物雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路(圖d)，協(xié)同利用引入NBT微晶所產(chǎn)生的電勢壘效應(yīng)和構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的界面效應(yīng)(圖a-c)，有效地抑制了電荷在聚合物層內(nèi)和層間的傳輸，大幅度提高了擊穿場強(qiáng)，同時也提高了聚合物的介電常數(shù)，增強(qiáng)了其極化能力。基于此研制的雙層聚合物基復(fù)合材料NBT-PEI/NBT-P(VDF-HFP)具有大幅度提升的儲能密度(Udis~25.0 J/cm3)，并兼顧較高的儲能效率(η~81.2%)。該工作可為未來研發(fā)高性能聚合物基電介質(zhì)提供重要指導(dǎo)，并為先進(jìn)儲能器件和系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種高性能聚合物基儲能材料。
 

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位，常云飛教授、王大偉教授以及湖北大學(xué)張清風(fēng)教授為論文共同通訊作者。儀器科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生范鎮(zhèn)豪為論文第一作者，博士研究生戴劍、謝航、岳文峰等參與相關(guān)研究工作。