中國儲能網訊：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，能最大效率轉化風能、潮汐能等間歇性可再生能源，是脈沖功率技術、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、混合動力汽車等領域也得到了廣泛的應用。
來源：微信公眾號“高分子科學前沿” ID：Polymer-science
但由于大多數(shù)聚合物的介電常數(shù)較低、極化強度低等問題，限制了其儲存電能的能力。長期以來，國內外學者主要通過納米摻雜來提升薄膜的電介質儲能性能，但高體積分數(shù)納米填料的引入卻會增大材料的能量損耗，尤其在高電場作用下，會導致聚合物電介質內部漏電流呈指數(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)應用需求。更嚴重的是，漏電流轉變成焦耳熱，使儲能電容器溫度持續(xù)上升進而失效。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成為一個目前亟需攻克的研究難點。
三明治結構電容器聚合物電介質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開發(fā)設計出一種兼具高儲能密度、高儲能效率與優(yōu)異穩(wěn)定性的三明治結構全聚合物電介質儲能材料。不同于傳統(tǒng)的復合電介質材料，該工作在鐵電聚合物中引入低介電常數(shù)聚合物層，形成三層構型。系統(tǒng)研究了通過調控構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，通過與其他不同構型薄膜電學性能比較，三層結構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（降低超過一個數(shù)量級），從而大幅提高了聚合物電介質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構全聚合物電介質材料中獲得了20.3J×cm-3的儲能密度與84%的儲能效率，這是目前報道的聚合物電介質材料中最優(yōu)的綜合儲能性能。同時，該材料具有良好的機械耐疲勞性。這項工作表明了三明治結構鐵電聚合物在電能存儲應用方面的巨大潛力。
不同構型電介質薄膜儲能特性與代表性電介質薄膜儲能特性比較和機械彎曲耐疲勞性
近年來，汪宏教授專注于先進電介質材料的基礎研究，在電介質儲能材料等領域取得了多項創(chuàng)新性研究成果。相關工作發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials, 27(42):6657-63, 2015）、《先進功能材料》（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電信學院博士生陳杰，通訊作者為南方科技大學材料系汪宏教授，合作者還包括美國賓州州立大學王慶教授。該研究成果得到了國家自然科學基金面上項目、國家“973”項目、國家重點研發(fā)項目等的支持。
