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中国科大在高储能电介质电容器研究中取得重要进展

发(fa)稿时间(jian):2019-07-07浏览次数:594

我系李晓光团队联合(he)(he)清华大学沈洋教授课题组在高(gao)储(chu)能密度(du)柔性电(dian)容(rong)器(qi)领域取得重要进展(zhan)。研究(jiu)者成功找到了一(yi)种可以大幅度(du)提高(gao)聚合(he)(he)物基复(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)击(ji)穿电(dian)场强(qiang)度(du)和介(jie)电(dian)储(chu)能密度(du)的方法,该方法可推广至(zhi)不同的柔性聚合(he)(he)物电(dian)介(jie)质材(cai)料(liao),为今(jin)后高(gao)储(chu)能电(dian)容(rong)器(qi)的设计提供了一(yi)种可行的方案。该成果以“Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites”为题在线发表在《先进材(cai)料(liao)》(Adv. Mater.)杂志上。


电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器由(you)于(yu)其(qi)超快(kuai)的(de)(de)充放(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)速率(lv)和超高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)功(gong)率(lv)密(mi)(mi)度,成为(wei)智能(neng)(neng)(neng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)网调(diao)频、电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁炮等(deng)高(gao)(gao)(gao)(gao)能(neng)(neng)(neng)武器系统的(de)(de)核心器件(jian),并在新能(neng)(neng)(neng)源电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)动汽车、可穿(chuan)戴(dai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子等(deng)领域具有(you)广阔应用前景。其(qi)中,成本低、易加工、耐高(gao)(gao)(gao)(gao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压的(de)(de)柔性聚合(he)(he)(he)物(wu)是最(zui)有(you)潜力的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)器电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)介(jie)质材(cai)料(liao)(liao)(liao)之一,但其(qi)低介(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)常数(shu)(shu)(shu)导致的(de)(de)低储能(neng)(neng)(neng)密(mi)(mi)度限(xian)制(zhi)了当今电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子工业对(dui)(dui)器件(jian)小型化(hua)和高(gao)(gao)(gao)(gao)性能(neng)(neng)(neng)化(hua)的(de)(de)要求。针对(dui)(dui)这一难(nan)题,人们(men)提(ti)出(chu)将(jiang)高(gao)(gao)(gao)(gao)介(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)常数(shu)(shu)(shu)的(de)(de)无(wu)机填料(liao)(liao)(liao)加入到聚合(he)(he)(he)物(wu)基(ji)体(ti)中,用于(yu)制(zhi)备高(gao)(gao)(gao)(gao)储能(neng)(neng)(neng)密(mi)(mi)度复(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao),但通常高(gao)(gao)(gao)(gao)体(ti)积分数(shu)(shu)(shu)的(de)(de)无(wu)机材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)加入会降低复(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)击(ji)穿(chuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)(chang)强度,对(dui)(dui)使(shi)用安全(quan)和寿命(ming)造成影响(xiang)。因此,在介(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)常数(shu)(shu)(shu)提(ti)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)同时进一步(bu)提(ti)升材(cai)料(liao)(liao)(liao)击(ji)穿(chuan)场(chang)(chang)强,是获得高(gao)(gao)(gao)(gao)储能(neng)(neng)(neng)密(mi)(mi)度复(fu)合(he)(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)亟(ji)需(xu)解(jie)决的(de)(de)难(nan)点。


图例说明(ming):a. 复(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)示(shi)意图。b. 复(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)电击穿(chuan)过程的(de)(de)相(xiang)场(chang)模拟中,带负电Ca2Nb3O10纳米片(pian)对电树枝(zhi)发展起阻碍(ai)作用。c. PVDF基(ji)复(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)与纯PVDF的(de)(de)储能密度(du)(du)与电场(chang)的(de)(de)关(guan)系。d. 不(bu)同聚合(he)(he)(he)物基(ji)纳米复(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)的(de)(de)击穿(chuan)强度(du)(du)和能量密度(du)(du)的(de)(de)对比。


针对上述(shu)挑战,合(he)(he)作团队提(ti)(ti)出(chu)了(le)(le)一(yi)种普(pu)适的(de)(de)(de)(de)可(ke)行(xing)策略(lve),即利用(yong)带(dai)负(fu)电(dian)(dian)无机填(tian)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)局域反向电(dian)(dian)场(chang)(chang)抑制二次碰(peng)撞电(dian)(dian)子的(de)(de)(de)(de)产生(sheng),从(cong)而(er)阻碍击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)相的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)发展,进而(er)提(ti)(ti)升复(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)场(chang)(chang)强(qiang)和(he)储能(neng)(neng)密(mi)度(du)(du)(du)。基(ji)于此(ci),研究(jiu)人员(yuan)制备出(chu)掺入少量带(dai)负(fu)电(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)2维Ca2Nb3O10填(tian)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)聚(ju)偏二氟(fu)乙烯(xi)(PVDF)基(ji)复(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao),在(zai)提(ti)(ti)高(gao)其介(jie)(jie)电(dian)(dian)常数的(de)(de)(de)(de)同时,获得(de)了(le)(le)极高(gao)的(de)(de)(de)(de)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)场(chang)(chang)强(qiang)(~792 MV/m)和(he)储能(neng)(neng)密(mi)度(du)(du)(du)(~36.2 J/cm3),该柔(rou)性电(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)储能(neng)(neng)密(mi)度(du)(du)(du)是目前已报道聚(ju)合(he)(he)物基(ji)复(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)中最高(gao)的(de)(de)(de)(de),是目前最好的(de)(de)(de)(de)商(shang)用(yong)双(shuang)向拉(la)伸(shen)聚(ju)丙烯(xi)(BOPP)薄膜电(dian)(dian)容(rong)器(qi)的(de)(de)(de)(de)18倍,甚(shen)至超过了(le)(le)商(shang)用(yong)电(dian)(dian)化(hua)学电(dian)(dian)容(rong)器(qi)(20-29 J/cm3)。此(ci)外,相比于PVDF基(ji)体(ti),复(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)杨氏模量也有明显(xian)的(de)(de)(de)(de)提(ti)(ti)高(gao)而(er)漏电(dian)(dian)流密(mi)度(du)(du)(du)依然维持在(zai)较(jiao)低(di)水平,这些分别有利于避免机电(dian)(dian)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)与电(dian)(dian)热(re)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)的(de)(de)(de)(de)发生(sheng)。为(wei)了(le)(le)进一(yi)步验证(zheng)该策略(lve)的(de)(de)(de)(de)普(pu)适性,研究(jiu)人员(yuan)基(ji)于相场(chang)(chang)模拟(ni)和(he)有限元计算验证(zheng)了(le)(le)纳米片填(tian)料(liao)(liao)负(fu)电(dian)(dian)荷对抑制电(dian)(dian)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)的(de)(de)(de)(de)重要作用(yong),并在(zai)聚(ju)苯乙烯(xi)(PS)基(ji)复(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)中同样(yang)实现了(le)(le)击(ji)(ji)(ji)(ji)穿(chuan)场(chang)(chang)强(qiang)与储能(neng)(neng)密(mi)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)大幅提(ti)(ti)升。该项(xiang)研究(jiu)工作为(wei)今(jin)后(hou)高(gao)能(neng)(neng)量密(mi)度(du)(du)(du)柔(rou)性电(dian)(dian)介(jie)(jie)质储能(neng)(neng)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)实用(yong)化(hua)提(ti)(ti)供了(le)(le)全新的(de)(de)(de)(de)思路。


我系李(li)晓(xiao)光教授、殷月伟(wei)(wei)教授以及(ji)清(qing)华大(da)学材(cai)料学院沈洋教授为(wei)论(lun)文通讯作者(zhe)。我系博士生包志(zhi)伟(wei)(wei)、侯闯明和清(qing)华大(da)学博士生沈忠慧(hui)为(wei)论(lun)文共同(tong)第一(yi)作者(zhe)。


该项(xiang)研究得(de)到了国家自(zi)然(ran)科(ke)学基金、科(ke)技部国家重点研发计划、中国科(ke)学技术大(da)学“双一(yi)流”人(ren)才团队(dui)平台(tai)项(xiang)目的(de)资助。


文章链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201907227


(物理学院、合肥微尺(chi)度物质科学国家研(yan)究中心(xin)、科研(yan)部)


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