中國科大等在高儲能電介質電容器研究中取得進展

中國科學技術大學李曉光團隊聯合清華大學教授沈洋課題組在高儲能密度柔性電容器領域取得新進展。研究者成功找到了一種可以大幅度提高聚合物基複合材料擊穿電場強度和介電儲能密度的方法，該方法可推廣至不同的柔性聚合物電介質材料，為今後高儲能電容器的設計提供了一種可行的方案。該成果以Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites 為題在線發表在《先進材料》（Adv. Mater.）雜誌上。

電介質電容器由於其超快的充放電速率和超高的功率密度，成為智能電網調頻、電磁炮等高能武器系統的核心器件，並在新能源電動汽車、可穿戴電子等領域具有廣闊應用前景。其中，成本低、易加工、耐高電壓的柔性聚合物是最有潛力的電容器電介質材料之一，但其低介電常數導致的低儲能密度限制了當今電子工業對器件小型化和高性能化的要求。針對這一難題，人們提出將高介電常數的無機填料加入到聚合物基體中，用於製備高儲能密度複合材料，但通常高體積分數的無機材料的加入會降低複合材料擊穿電場強度，對使用安全和壽命造成影響。因此，在介電常數提高的同時進一步提升材料擊穿場強，是獲得高儲能密度複合材料亟需解決的難點。

針對上述挑戰，合作團隊提出了一種普適的可行策略，即利用帶負電無機填料的局域反向電場抑制二次碰撞電子的產生，從而阻礙擊穿相的形成發展，進而提升複合材料擊穿場強和儲能密度。基於此，研究人員製備出摻入少量帶負電的2維Ca2Nb3O10填料的聚偏二氟乙烯（PVDF）基複合材料，在提高其介電常數的同時，獲得了極高的擊穿場強（~792 MV/m）和儲能密度（~36.2 J/cm3），該柔性電容器的儲能密度是目前已報道聚合物基複合材料中最高的，是目前最好的商用雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜電容器的18倍，甚至超過了商用電化學電容器（20-29 J/cm3）。此外，相比於PVDF基體，複合材料的楊氏模量也有明顯的提高而漏電流密度依然維持在較低水平，這些分別有利於避免機電擊穿與電熱擊穿的發生。為了進一步驗證該策略的普適性，研究人員基於相場模擬和有限元計算驗證了納米片填料負電荷對抑制電擊穿的重要作用，並在聚苯乙烯（PS）基複合材料中同樣實現了擊穿場強與儲能密度的大幅提升。該項研究工作為今後高能量密度柔性電介質儲能材料的實用化提供了全新的思路。

中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理學院教授李曉光、殷月偉以及清華大學材料學院教授沈洋為論文通訊作者。中國科大博士生包志偉、侯闖明和清華大學博士生沈忠慧為論文共同第一作者。

該項研究得到國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、中國科大“雙一流”人才團隊平台項目的資助。