哈尔滨理工大学迟庆国教授课题组最新科研成果: 利用无机填料介电性质提升聚合物基纳米复合介质储能特性

作者：张天栋，赵学文，张昌海，张月，张永泉，冯宇，迟庆国，陈庆国

电介质薄膜电容器在电气工程等领域具有广泛的应用，提升其储能性能对改善电力装备与电子器件的使役特性、降低工程物理空间等方面具有重要意义。聚合物介质薄膜因具有柔性好、绝缘性高、易大批量生产且成本低廉等优点而备受青睐，但其储能密度相对较低。近年来，将具有高介电常数的无机陶瓷填料掺杂至聚合物基体中是提升其储能性能的重要手段之一。但基于无机高介电填料掺杂聚合物的相关研究更多关注填料掺杂含量、形状因子、分布形态、表面修饰、界面极化效应对复合介质储能性能的影响规律，而针对无机填料的介电常数（尤其是电场作用下填料极化伴随的介电常数变化）、击穿场强（考虑填料本征击穿场强与复合介质近界面区局域电场的关系）对复合介质储能性能的影响研究鲜见报道。

本文选取具有钙钛矿结构的Ba_xSr_1-x TiO₃（B_xS_1-xT）陶瓷纳米颗粒作为无机填充相、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为聚合物基体。首先，通过调控钡锶比获得具有不同相成分的B_xS_1-xT陶瓷粉体；其次，利用化学法构筑经SiO₂包裹的B_xS_1-xT陶瓷粉体（记为B_xS_1-xT@S），并经高温烧结制得陶瓷块体。对比分析相成分及SiO₂包裹对B_xS_1-xT陶瓷的极化行为、介电常数、击穿强度的影响规律。研究表明，相比于铁电相陶瓷，顺电相B_xS_1-xT陶瓷（x≦0.6）具有更高的击穿场强和较低的相对介电常数（x≧0.7），并且引入SiO₂能够进一步提高B_xS_1-xT@S陶瓷的击穿场强。将上述具有不同相成分的B_xS_1-xT@S陶瓷纳米粉体掺至PMMA基体中得到复合介质。系统研究了填料掺杂含量、表面修饰、介电性质对复合介质储能性能的影响规律。研究表明，当电场强度为620 kV/mm时，1 vol% B_0.6S_0.4T@S /PMMA复合介质的储能密度和储能效率分别达到19.6 J/cm³和74.4%。本文工作通过改变无机填料相成分、引入氧化硅绝缘壳层来综合调控无机填料的介电性能，阐明了无机填料介电性质对复合介质电学性能的影响规律及机制，为筛选无机填料和开发高性能储能电介质提供参考。该论文以“Polymer Nanocomposites with Excellent Energy Storage Performances by Utilizing the Dielectric Properties of Inorganic Fillers”为题发表在Chemical Engineering Journal上。哈尔滨理工大学青年教师张天栋博士为第一作者，青年教师冯宇博士、迟庆国教授、陈庆国教授为共同通讯作者。

图1 (a) 无机填料介电性能对复合介质局域电场分布的影响示意图；(b) 复合介质制备流程图。

图2 B_xS_1-xT@S无机填料和1 vol% B_xS_1-xT@S/PMMA复合介质的介电性能。(a)和 (b) 无机陶瓷介电性能；(c)和(d) 复合介质的介电性能；(e)和(f) 分别为无机陶瓷和复合介质的击穿场强。

图3 不同相结构无机填料在极化过程中的介电常数变化示意图 (a1) 顺电相, (a2) 铁电相；(b) 填料极化过程中其介电常数与电场分配变化示意图；(c) B_xS_1-xT陶瓷的电滞回线；(d) B_xS_1-xT陶瓷的极化强度对电场求微分

图4 电场分布仿真分析。(a) 不同相结构无机填料掺杂的B_xS_1-xT/PMMA复合介质局域电场分布（未考虑填料介电常数随极化进行而改变）；(b) B_0.8S_0.2T/PMMA复合介质局域电场分布（考虑铁电相无机填料介电常数随极化进行而改变）；复合介质局域电场分布 (c) B_0.6S_0.4T/PMMA；(d) B_0.6S_0.4T@S/PMMA；(e) 复合介质近界面区的电场分布。

图5 复合介质的储能性能。(a) 1 vol% B_xS_1-xT/PMMA；(b) 1 vol% B_xS_1-xT@S/PMMA；(c) 储能性能对比图。

近年来，课题组主要从事先进电工材料基础研究，在电介质储能材料研究方面取得了一些成果，相继发表在Advanced Functional Materials, 2018, 28(10):1706211、Energy Storage Materials. 2019, 18, 238–245、Nano Energy, 2019, 56:138-150、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c16197、Composites Part B-Engineering, 2020, 199: 108312、《中国电机工程学报》等国内外学术期刊。

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