中國儲能網(wǎng)訊：聚合物薄膜儲能電容器因其具有較高功率密度和超長的循環(huán)使用壽命，能最大效率轉(zhuǎn)化風(fēng)能、潮汐能等間歇性可再生能源，是脈沖功率技術(shù)、電磁炮及激光等高能武器系統(tǒng)無可替代的核心儲能器件，在航空航天、混合動力汽車等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
來源：微信公眾號“高分子科學(xué)前沿” ID：Polymer-science
但由于大多數(shù)聚合物的介電常數(shù)較低、極化強(qiáng)度低等問題，限制了其儲存電能的能力。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者主要通過納米摻雜來提升薄膜的電介質(zhì)儲能性能，但高體積分?jǐn)?shù)納米填料的引入?yún)s會增大材料的能量損耗，尤其在高電場作用下，會導(dǎo)致聚合物電介質(zhì)內(nèi)部漏電流呈指數(shù)上升趨勢，造成充放電效率及儲能密度急劇下降，無法滿足工業(yè)應(yīng)用需求。更嚴(yán)重的是，漏電流轉(zhuǎn)變成焦耳熱，使儲能電容器溫度持續(xù)上升進(jìn)而失效。因此，如何開發(fā)具有高儲能密度、高儲能效率且可靠性良好的聚合物儲能電容器已經(jīng)成為一個(gè)目前亟需攻克的研究難點(diǎn)。
三明治結(jié)構(gòu)電容器聚合物電介質(zhì)薄膜的工藝方法示意圖
為解決上述問題，汪宏教授課題組采用溶液法多層流延技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)出一種兼具高儲能密度、高儲能效率與優(yōu)異穩(wěn)定性的三明治結(jié)構(gòu)全聚合物電介質(zhì)儲能材料。不同于傳統(tǒng)的復(fù)合電介質(zhì)材料，該工作在鐵電聚合物中引入低介電常數(shù)聚合物層，形成三層構(gòu)型。系統(tǒng)研究了通過調(diào)控構(gòu)成聚合物層比率在介電性能、宏觀極化、儲能以及快速充放電等方面的影響，通過與其他不同構(gòu)型薄膜電學(xué)性能比較，三層結(jié)構(gòu)薄膜更加有效地降低介電損失和抑制在高場下的漏電流密度（降低超過一個(gè)數(shù)量級），從而大幅提高了聚合物電介質(zhì)薄膜在高電場下的儲能特性。最終，汪宏教授課題組在三明治結(jié)構(gòu)全聚合物電介質(zhì)材料中獲得了20.3J×cm-3的儲能密度與84%的儲能效率，這是目前報(bào)道的聚合物電介質(zhì)材料中最優(yōu)的綜合儲能性能。同時(shí)，該材料具有良好的機(jī)械耐疲勞性。這項(xiàng)工作表明了三明治結(jié)構(gòu)鐵電聚合物在電能存儲應(yīng)用方面的巨大潛力。
不同構(gòu)型電介質(zhì)薄膜儲能特性與代表性電介質(zhì)薄膜儲能特性比較和機(jī)械彎曲耐疲勞性
近年來，汪宏教授專注于先進(jìn)電介質(zhì)材料的基礎(chǔ)研究，在電介質(zhì)儲能材料等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性研究成果。相關(guān)工作發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials, 27(42):6657-63, 2015）、《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials, 27(20): 1606292, 2017）、《納米能源》（Nano Energy 44(2018) 364-370; Nano Energy 52 (2018) 203-210）、《材料化學(xué)雜志A》（J. Mater. Chem. A, 2017, 5,4710; J. Mater. Chem. A, 2017, 5,10849）等期刊上。
該論文第一作者為西安交通大學(xué)電信學(xué)院博士生陳杰，通訊作者為南方科技大學(xué)材料系汪宏教授，合作者還包括美國賓州州立大學(xué)王慶教授。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國家“973”項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等的支持。
