在現(xiàn)有儲能設(shè)備中，介電聚合物薄膜電容器以其功率密度高、充放電速度快、工作電壓高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)成為脈沖儲能器件的首選。然而，現(xiàn)有聚丙烯薄膜電容能量密度太低，電介質(zhì)儲能的本質(zhì)在于介質(zhì)材料的極化行為,介質(zhì)材料的極化強(qiáng)度愈高, 擊穿電場愈強(qiáng),則材料單位體積儲存的電能就愈大。當(dāng)前的研究工作大多是圍繞著提高介質(zhì)材料的擊穿場強(qiáng)與介電常數(shù)(極化強(qiáng)度)來展開的。結(jié)合高擊穿 場強(qiáng)的聚合物與高介電常數(shù)的陶瓷填充物,制備介質(zhì)復(fù)合材料是一種獲取高儲能性能的有效方法。但是,低含量的零維陶瓷填充物對復(fù)合材料的介電常數(shù)提升有限,而高含量的陶瓷填充物在提高介電常數(shù)的同時,不可避免導(dǎo)致氣孔等缺陷產(chǎn)生,不僅會增加電導(dǎo)損耗、降低復(fù)合材料的擊穿場強(qiáng),而且還會損害復(fù)合材料的機(jī)械柔性。
相對于零維納米顆粒,高長徑比的納米纖維在不(或不過多)犧牲擊穿場強(qiáng)前提下,可以誘導(dǎo)產(chǎn)生更大的電偶極矩,從而有效提高復(fù)合材料的介電常數(shù)(電位移),進(jìn)而提升儲能性能。本文介紹了利用各種一維納米填料制備聚合物基納米復(fù)合材料的最新進(jìn)展。
圖1 一維納米填料聚合物基納米復(fù)合介電儲能材料的工藝流程圖
文章主要分為六個部分。第一部分介紹了聚合物納米復(fù)合薄膜電容器的特點(diǎn)；第二部分介紹了聚合物納米復(fù)合材料中儲能及其增強(qiáng)機(jī)理等基本知識；第三部分比較了各種儲能電容器在介電和儲能應(yīng)用中的能力；第四部分利用有限元模擬進(jìn)行分析；第五部分對各種一維填充納米復(fù)合材料進(jìn)行比較；最后，第六部分對聚合物納米復(fù)合材料的應(yīng)用前景及面臨挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。
圖2 本文所含內(nèi)容的綜合流程圖
圖3 不同尺寸納米粒子修飾納米復(fù)合材料的有限元模擬
為了更好地分析一維填充納米復(fù)合材料是作為儲能應(yīng)用的最佳選擇之一，他們使用相同的參數(shù)進(jìn)行了有限元模擬。從圖3(a1-a3)可看出，零維填充納米復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生的局部電場遠(yuǎn)高于基體材料的擊穿強(qiáng)度；圖3(c1?c3)和(e1?e3)說明一維和二維填充的納米復(fù)合材料可成功抑制外部電場；圖3(b1-b3), (d1-d3), 和(f1-f3)說明，與零維和二維填充的納米復(fù)合材料相比，一維填充納米復(fù)合材料與聚合物基體結(jié)合時提供了最高的極化率。因此，一維納米填料改性聚合物納米復(fù)合材料具有較高極化和擊穿強(qiáng)度，是提高納米復(fù)合材料儲能特性的主要因素。
圖4 不同取向一維填充納米復(fù)合材料的有限元模擬
圖4(a1-a3)顯示了在平行排列的一維填充納米復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生了局部電場；圖4(c1-c3)和(e1-e3)分別說明垂直排列和隨機(jī)排列的納米復(fù)合材料能成功阻礙外部電場；圖4(b1?b3),(d1?d3)和(f1?f3)說明與垂直和隨機(jī)排列的一維納米復(fù)合材料相比，平行排列的一維填充納米復(fù)合材料在與聚合物基體結(jié)合時提供了最高極化率。因此，平行排列的一維納米填料改性聚合物納米復(fù)合材料具有較高極化率，當(dāng)電場較低時，儲能特性相對較高。
圖5 不同成分的一維納米填料電學(xué)參數(shù)的比較
圖5a，b顯示SDFC的Ue最高為31.2 J/cm3，充放電效率為78%；圖5c,d可以看出表面修飾的納米復(fù)合材料在納米復(fù)合介質(zhì)中具有最高的能量密度，主要由于8000kV/cm的最高擊穿電場，其次是因?yàn)榫性鐵電分層界面和納米復(fù)合材料與鐵電聚合物的兼容性導(dǎo)致的高Dmax與低Pr值。從而得出結(jié)論，為了在納米復(fù)合介質(zhì)中獲得更高的能量密度，擊穿強(qiáng)度的提高至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)更高的可釋放能量密度和充放電效率，需考慮一維納米填料、三明治拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高電場強(qiáng)度聚合物基體。
總之，雖然一維聚合物納米復(fù)合膜電容器領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但要獲得納米復(fù)合材料中低損耗的巨大儲能密度還需要進(jìn)一步的研究。此外，納米復(fù)合材料是一個跨學(xué)科的領(lǐng)域，它在很大程度上依賴于跨越傳統(tǒng)學(xué)科界限的合作以及不同領(lǐng)域的共同努力，以開發(fā)用于儲能應(yīng)用的聚合物納米復(fù)合材料。
文章以《Polymer Matrix Nanocomposites with 1D Ceramic Nanofillers for Energy Storage Capacitor Applications》為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張海波副教授為第一作者及共同通訊作者。
