高储能密度聚合物基多层复合电介质的研究进展

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件,受限于薄膜介质材料的介电常数偏低,当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度,即可释放电能密度),从而导致薄膜电容器体积偏大,应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合,制备聚合物/陶瓷复合电介质,是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质,其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升,限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾,研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜,制备了2-2型多层复合电介质,能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明,调控多层复合电介质的介观结构与微观结构,可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制,并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。     

柔性PDMS基介电复合材料的电场及击穿损伤形貌演变规律研究

与其它储能设备相比,由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势,如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能,本工作基于DBM(DielectricBreakdownModel,介电击穿模型),采用有限元数值模拟,研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明:填料与基体边界处存在较大的介电差异,可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域,继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时,其树状损伤通道更容易产生分支,此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多,延缓其损伤速度,继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。     

核-壳结构纳米填料/聚偏二氟乙烯复合电介质的制备及储能性能

在薄膜电容器领域,开发高储能密度(U)和高放电能量效率(η)的聚合物复合电介质仍然是一大挑战。文中将银纳米粒子(AgNP)负载到钛酸钡(BT)纳米颗粒上,再将其表面改性制得被二氧化硅(SiO_2)壳层包覆的负载AgNP的BT纳米填料(SiO_2@Ag@BT)。AgNP赋予材料较大的电位移,而绝缘的SiO_2壳层充当缓冲层限制了漏电流,防止了材料的电击穿及空间电荷的渗透。当SiO_2@Ag@BT质量分数为3%时,聚偏二氟乙烯(PVDF)纳米复合电介质的介电常数为10.0,介电损耗(tanδ)低至0.024,击穿场强为329 MV/m。在200 MV/m的电场下,与BT/PVDF相比,SiO_2@Ag@BT/PVDF纳米复合电介质的储能密度提高了13.7%,达到2.72 J/cm~3,且放电能量效率达到78.0%。经SiO_2改性的含AgNP核-壳结构填料在低添加量下即可实现聚合物复合电介质储能密度的提高并保持高放电能量效率,这为设计新型聚合物电介质材料提供了一种简单而有效的思路。     

有限元法研究填料形貌与介电常数对无机/有机介电复合材料介电性能的影响

为了开发高储能密度的无机/有机介电复合材料,本文采用有限元法分别研究了直径为100 nm的球形填料与基体介电常数的比值（k）、球形填料在复合材料中的排列方式、球形填料尺寸（100~300 nm）、纤维状填料长径比（α）和片状填料的球形度（β）对复合材料介电性能的影响。计算结果表明,当k值大于20时,复合材料的介电常数变化不明显;球形填料沿电场方向成链式排列时,复合材料有较大的介电常数,且材料中球形填料附近处存在较大的电位移和较大的电场,说明这种填料排列方式有利于材料介电常数的提高,但会削弱材料的耐击穿能力;当球形填料随机分布时,颗粒尺寸变化对复合材料介电常数的影响不明显。对于纤维状填料,其长径比α越大且长轴沿电场方向分布时,填料自身及周边会产生较大的电位移,表明这种情况有利于复合材料介电常数的提高。对于片状填料,其球形度β越小,填料与基体界面处高电场区域越小,表明材料的耐击穿能力越高。本研究可为高介高储能材料的实验研究提供理论指导。      

高储能陶瓷/聚偏氟乙烯复合电介质的研究进展

介电电容器作为间歇产生的可持续能源的高效存储转换设备,在新能源领域发挥着不可替代的作用。而电介质电容器的核心是具有高储能密度的电介质材料。聚合物电介质材料由于具有击穿场强高、放电速度快、能长时间使用并可自修复等特点,成为高性能电容器的潜力候选材料,但聚合物本身较低的介电常数限制了其储能密度。通过将具有高介电常数的陶瓷填料与聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物复合,制备新型陶瓷/PVDF复合电介质,在提高电介质材料的介电性能和储能密度方面取得了重要进展。本文介绍了电介质材料的基本原理,综述了不同类型的陶瓷/PVDF复合电介质的结构、储能机制及介电储能性能,并对其未来发展趋势进行了展望。      

聚合物-陶瓷纳米复合材料在电介质储能应用中的研究进展EI北大核心

电介质电容器因其极高的功率密度,近年来在工业生产、基础科研、航空航天、国防军工等领域发挥着越来越重要的作用。然而,电介质电容器较低的能量密度导致其体积普遍较大,难以满足未来器件的小型化需求。聚合物-陶瓷复合电介质材料可以将陶瓷材料的高介电常数与聚合物材料的高击穿场强联合起来,进而有望获得优异的储能特性。当前,发展具有高储能密度的聚合物-陶瓷复合电介质材料对于未来实现电介质电容器的小型化目标至关重要。本文主要从纳米填料调控、聚合物-陶瓷界面优化和多层复合结构设计三个角度出发,系统总结了目前聚合物-陶瓷复合电介质储能材料的研究进展,详细介绍了纳米填料的维度、尺寸、种类和多级结构,表面修饰改性和构筑核壳结构等界面优化方法以及三明治结构和梯度结构等多层复合结构设计对复合电介质材料的介电常数、击穿场强和储能密度的影响规律,分析探讨了复合电介质材料的微观结构与其储能特性之间的构效关系。最后,针对当前研究存在的挑战和不足,指出选用新型二维纳米填料、提升能量存储效率、采取多方式协同优化策略以及构筑相应的电容器件将是该领域未来的重点发展方向。     

聚合物-陶瓷纳米复合材料在电介质储能应用中的研究进展EI

电介质电容器因其极高的功率密度,近年来在工业生产、基础科研、航空航天、国防军工等领域发挥着越来越重要的作用。然而,电介质电容器较低的能量密度导致其体积普遍较大,难以满足未来器件的小型化需求。聚合物-陶瓷复合电介质材料可以将陶瓷材料的高介电常数与聚合物材料的高击穿场强联合起来,进而有望获得优异的储能特性。当前,发展具有高储能密度的聚合物-陶瓷复合电介质材料对于未来实现电介质电容器的小型化目标至关重要。本文主要从纳米填料调控、聚合物-陶瓷界面优化和多层复合结构设计三个角度出发,系统总结了目前聚合物-陶瓷复合电介质储能材料的研究进展,详细介绍了纳米填料的维度、尺寸、种类和多级结构,表面修饰改性和构筑核壳结构等界面优化方法以及三明治结构和梯度结构等多层复合结构设计对复合电介质材料的介电常数、击穿场强和储能密度的影响规律,分析探讨了复合电介质材料的微观结构与其储能特性之间的构效关系。最后,针对当前研究存在的挑战和不足,指出选用新型二维纳米填料、提升能量存储效率、采取多方式协同优化策略以及构筑相应的电容器件将是该领域未来的重点发展方向。     

单层和三层结构的PVDF基复合材料介电与储能特性

通过水热合成法制备CaCu₃Ti₄O₁₂球型颗粒填料,以PVDF为基底,采用溶液逐层涂覆法制备单层和三层结构的PVDF基复合材料。利用X-射线衍射仪和扫描电镜表征材料的微观组织结构,LRC测试仪和铁电综合测试工作站测试其电学性能,研究低填充浓度和多层结构对PVDF基复合材料微观结构、介电特性、极化强度、耐电压特性和储能特性的影响规律。结果表明,CaCu₃Ti₄O₁₂填料的尺寸约为200 nm,增加其填充浓度,可以提高单层PVDF/CaCu₃Ti₄O₁₂复合材料的介电特性与极化强度；在3.0vol.%填充量下,复合材料达到最大的介电常数13.2、介电损耗0.074和电位移极化强度4.04 μC/cm²；而在0.5vol.%的超低填充量下,复合材料达到最大的释放能量密度3.51 J/cm³。三层结构的PVDF基复合材料体系中,在上下层复合材料的高介电极化特性与中间层材料的击穿阻挡特性的协同作用下,获得了综合储能特性优化的PVDF基复合材料,使其在300 kV/mm的低电场强度下,达到最高的释放能量密度4.36 J/cm³。     

无机纳米ZnO或蒙脱土颗粒掺杂对低密度聚乙烯介电性能的影响

选择在低密度聚乙烯（LDPE）中掺杂无机纳米ZnO和蒙脱土（MMT）颗粒,探讨不同形态无机纳米颗粒对LDPE介电性能的影响。利用熔融共混法配合不同冷却方式制备不同结晶形态的纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料。通过FTIR、偏光显微镜（PLM）、SEM、DSC和热刺激电流（TSC）对试样进行表征,并。研究了纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料的交流击穿特性,结果表明：掺杂适当质量分数并经表面修饰的无机纳米颗粒可有效的避免其团聚现象,提高纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料的结晶速率,使结晶结构更完善,同时无机纳米颗粒掺杂使LDPE的陷阱密度和深度均有所增加,载流子入陷在试样内部形成界面"局域态"。经油冷却方式制备的纳米ZnO/LDPE和MMT/LDPE复合材料击穿场强比空气自然冷却分别高13.6%和14.4%,当掺杂纳米粒子质量分数为3wt%时,复合材料击穿场强出现最大值,其中纳米ZnO/LDPE复合材料比MMT/LDPE复合材料的击穿场强值高0.68%;电导率试验结果表明：纳米ZnO/LDPE复合材料电导率比MMT/LDPE复合材料低。介电性能测试表明,在1~10⁵ Hz的测试频率范围内,纳米ZnO/LDPE复合材料和MMT/LDPE复合材料介电常数降低,介质损耗角正切值有所提高。     

PZT／PVDF复合材料的制备及介电性能

PZT材料具有高的介电常数,而PVDF有良好的柔韧性,采用化学溶解、旋涂成膜,并通过多层薄膜热压方法制备一定厚度的柔性PZT/PVDF复合材料.对其介电常数和介电损耗进行测量,并进行分析比较.由于复合材料具备高介电常数、低损耗和柔性的特点,可实现微带天线的小型化设计.