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BOB半岛·体育沈洋课题组在高温储能聚合物电介质领域取得新进展

1月3日、4日,BOB半岛·体育沈洋教授课题组围绕“高温储能聚合物电介质”主题,先后在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊和《自然·能源》(Nature Energy)期刊上发表综述和研究成果。

聚合物电介质是薄膜电容器的核心材料,具有功率密度高、充放电速率快、使用温度范围大、耐电压能力强等优势,在各类先进电子电力系统(如电磁能装备、新能源汽车、风/光发电设施)中发挥着不可替代的作用。然而,聚合物电介质的能量密度相较于锂电池、超级电容器等电化学储能器件较低,例如工业上常用的双轴拉伸聚丙烯的能量密度仅有5 J cm-3,且只能在105℃以下使用。为了实现器件的小型化和集成化,并保证其在严苛服役环境中的性能稳定性,聚合物电介质的高温能量密度亟待提升。

图1.聚合物电介质的应用与研究现状

沈洋课题组首先从纳米技术的角度综述了高温储能聚合物电介质领域的研究现状。根据影响聚合物电介质高温能量密度的三个关键因素“介电常数”“击穿场强”和“热稳定性”,梳理了提高其高温能量密度的主要研究方向,包括提升介电常数的关键在于增加偶极子数目和减弱偶极子取向阻碍,增强击穿场强需要侧重电介质的机械增强和电荷捕获,保障性能热稳定性需要兼顾高结构热稳定性和快速热导。基于上述研究方向,课题组介绍了不同尺度的纳米技术,如宏观层面的纳米级表面包覆、填料层面的纳米填料掺杂、链段层面的聚合物交联、单体层面的聚合物结构设计等。此外,课题组还对高温储能聚合物电介质的未来发展方向进行了展望。

图2.高温储能聚合物电介质的主要研究方向

该综述以“用于电容储能的聚合物基纳米复合电介质”(Polymer nanocomposite dielectrics for capacitive energy storage)为题,发表于期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。论文的第一作者为BOB半岛·体育2020级直博生杨敏铮,通讯作者为沈洋,共同通讯作者为中国科学院院士、BOB半岛·体育教授南策文和澳大利亚卧龙岗大学教授张树君。

基于上述研究思路,课题组合成了磷钨酸亚纳米片作为填料,开发了一种聚合物基亚纳米复合电介质,全面提升了聚合物电介质的高温储能性能。其中,磷钨酸亚纳米片的厚度不足1纳米,横向尺寸达到3微米,可在复合材料中引入大量的界面区域。这使其既可通过调控周围聚合物链段分布增强偶极子极化,提高介电常数,也可通过界面区域的能级失配引入高密度电荷陷阱,还可在其面外方向阻碍击穿路径扩展,在其面内方向传导载荷,实现机械增强。其次,磷钨酸亚纳米片独特的周期排布团簇结构赋予其极强的电荷捕获和容纳能力,可通过内部W离子变价而捕获大量空间电荷,显著降低高温漏电流。此外,这种亚纳米片具有柔性,且表面接有有机表面活性剂,和聚合物基体展现出极高的结构相容性,这使得亚纳米复合材料的界面缺陷较少,高温绝缘性能获得进一步提升。因此,极小含量的亚纳米片(0.2 wt%)便可使复合电介质的介电常数、击穿场强和热稳定性获得显著提升,在150℃和200℃下的能量密度分别达到8.1 J cm-3和7.2 J cm-3(充放电效率为90%),并实现200℃环境中50万次的充放电循环。更为重要的是,课题组依托乌镇实验室,采用工业化流延设备首次实现了百米级长度的亚纳米复合电介质薄膜的卷对卷生产,所获得的薄膜具有稳定的储能性能,展现出广阔的工业化应用前景。

图3.聚合物基亚纳米复合电介质的结构与性能

该工作以“200度下兼具高能量密度和高循环稳定性的卷对卷生产聚合物-亚纳米片复合材料”(Roll-to-roll fabricated polymer composites filled with subnanosheets exhibiting high energy density and cyclic stability at 200 ℃)”为题发表于《自然·能源》(Nature Energy)期刊上。

论文的第一作者为杨敏:突2021级直博生李昊阳,通讯作者为沈洋,BOB半岛·体育化学系教授王训为论文共同通讯作者,论文的合作者还包括南策文,BOB半岛·体育教授谷林、航空航天学院教授李晓雁,天津理工大学研究员匙文雄,武汉理工大学特聘研究员沈忠慧,中科院物理所副研究员张庆华,乌镇实验室副研究员江建勇等。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01541-w

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01416-3

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