作者:沈洋等 来源:《自然-能源》 发布时间:2024/1/4 20:26:20
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兼具高储能密度和高循环稳定性的聚合物基复合电介质

 

2024年1月4日,清华大学材料学院沈洋教授团队和化学系王训教授团队合作在Nature Energy期刊上发表了一篇题为“Roll-to-roll fabricated polymer composites filled with subnanosheets exhibiting high energy density and cyclic stability at 200 °C”的研究成果。

该成果报道了一种磷钨酸亚纳米片掺杂的聚合物基复合电介质,该亚纳米复合电介质具有极高的高温能量密度和优异的循环稳定性,可作为高性能薄膜电容器的介质材料用于各类先进电子电路系统。论文通讯作者是沈洋、王训;第一作者是杨敏铮、李昊阳。

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,在各类严苛环境中的电子电力系统(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。为了解决上述问题,研究团队合成了磷钨酸亚纳米片填料,并基于此开发了一种聚合物基亚纳米复合电介质,显著提升了聚合物电介质的高温储能性能。这种磷钨酸亚纳米片由磷钨酸骨架和油胺表面活性剂构成,厚度不足1纳米,横向尺寸达到3微米,具有柔性,可在聚合物基体内部呈现出多种状态,如波浪状、弯曲状、弯折状等。

图1:磷钨酸亚纳米片和聚合物-亚纳米片复合材料的结构。

亚纳米片具有较高的机械强度,且其大横向尺寸可以有效传递面内方向的载荷。因此,亚纳米片可以在极小含量下显著提升聚合物复合电介质的力学性能。其次,弥散分布的亚纳米片可以迫使电介质内部的击穿路径绕其扩展,且其大横向尺寸、弯曲形状可以有效增大击穿路径扩展的长度和难度,进而提升复合电介质的击穿场强。

图2:磷钨酸亚纳米片的机械增强和击穿路径阻碍。

亚纳米片具有极大的比表面积,可引入大量表面活性剂-聚合物界面。二者具有高结合能,可以显著减少界面缺陷;二者的能级失配还可构成载流子陷阱,抑制空间电荷迁移。此外,磷钨酸骨架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,可通过内部大量W离子的变价而进一步捕获空间电荷,显著降低高温漏电流。因此,极小含量的亚纳米片(0.5 wt%)便可使复合电介质的高温储能性能获得显著提升,在200℃和150℃下的能量密度分别达到7.2 J cm-3和8.1 J cm-3(充放电效率为90%)。

图3:磷钨酸亚纳米片的电荷捕获的储能性能。

除此之外,这种亚纳米复合电介质可耐受200℃环境中五十万次的充放电循环,且储能性能对测试电极面积的变化保持稳定。更为重要的是,研究团队依托乌镇实验室,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4:聚合物-亚纳米片复合材料的服役可靠性和大规模制备。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01416-3

 
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