近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院楊海波教授團隊，在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上發(fā)表了題為“Superior Energy Storage Performance Induced by Cross-Scale Electric Field Modulation Utilizing Hybrid Hierarchical Micro–Nano Fillers in PEI-based Composites”的研究論文。我校楊海波教授、林營教授、袁啟斌副教授和南京航空航天大學(xué)王婧教授為文章共同通訊作者，材料學(xué)院博士生黨禎兒和西安交通大學(xué)王軼飛副教授為文章共同第一作者，陜西科技大學(xué)為第一通訊單位。
聚合物基復(fù)合材料因其優(yōu)異的柔韌性、高擊穿場強、輕質(zhì)量、低成本等優(yōu)點，在脈沖電源系統(tǒng)及電子設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在高溫或強電場等極端環(huán)境下，聚合物基復(fù)合材料常面臨絕緣性能下降、儲能效率降低等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，極大限制了其實際應(yīng)用。針對該問題，陜西科技大學(xué)楊海波教授團隊創(chuàng)新構(gòu)建了一種基于多級尺寸填料誘導(dǎo)的跨尺度電場調(diào)制效應(yīng)，實現(xiàn)復(fù)合材料在寬溫域范圍內(nèi)儲能密度與儲能效率的協(xié)同提升。
研究團隊選擇具有高絕緣性和優(yōu)異熱穩(wěn)定性的PEI作為基體進行多層結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計：外層為氮化硼納米片（BNNSs）/聚醚酰亞胺（PEI）復(fù)合層，中間層為混合分級鈦酸鋇（BT）微納米顆粒/PEI復(fù)合層，BT微納米顆粒的粒徑分別為0.5 μm和100 nm。中間層的多級BT微納米顆粒有效提高了介電常數(shù)，同時其構(gòu)建的跨尺度局部弱電場不僅有效阻斷和耗散擊穿路徑，而且抑制由絕緣退化引起的焦耳熱積累；外層BNNSs利用自身高絕緣性和所構(gòu)建的橫向局部弱電場對擊穿路徑產(chǎn)生二次阻斷作用的同時，且由于其優(yōu)良導(dǎo)熱性實現(xiàn)對焦耳熱的進一步耗散。基于該結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的跨尺度電場調(diào)制效應(yīng)，三明治結(jié)構(gòu)PEI基復(fù)合材料在620 MV·m-1下獲得了21.80 J·cm-3的優(yōu)異儲能密度和96.89%的超高儲能效率，遠超過其他聚合物基復(fù)合材料。值得注意的是，該復(fù)合材料還具有良好的高溫儲能性能，在150 ℃和565 MV·m-1下，其儲能密度為11.98 J·cm-3，儲能效率為87.10%。因此，這種跨尺度電場調(diào)控策略為未來高性能聚合物儲能材料的研究與開發(fā)提供了新途徑。
圖1 三明治結(jié)構(gòu)PEI基復(fù)合材料的a) 設(shè)計思路圖，b) 斷面SEM圖和c) 中間層局部放大SEM圖；d-g) BT微納米顆粒在PEI基體內(nèi)的KPFM圖
圖2 2.5-2.5復(fù)合材料的a) 空間電荷分布和b) 電場分布
圖3 三明治結(jié)構(gòu)PEI基復(fù)合材料的電樹枝動態(tài)演化模擬圖
圖4 a) 2.5-2.5復(fù)合材料介電性能與溫度的關(guān)系；三明治結(jié)構(gòu)PEI基復(fù)合材料150 ℃下的b) 威布爾分布和c) 儲能性能；d) 2.5-2.5復(fù)合材料儲能性能和溫度的關(guān)系
圖5 a1-a3) PEI基復(fù)合材料中間層的二維溫度分布模擬；b1-b4) PEI基復(fù)合材料繞卷電容器后內(nèi)部溫度分布模擬；c) 2.5-2.5復(fù)合材料的三維溫度分布模擬
原文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202502204
（核稿：伍媛婷 編輯：趙誠）
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