中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院先進電子材料研究中心孫蓉、朱朋莉和于淑會研究團隊在聚合物基復(fù)合材料的介電和儲能性能方面的研究取得進展。相應(yīng)成果為“Liang XW, Yu XC, Lv LL, et al. BaTiO3internally decorated hollow porous carbon hybrids as fillers enhancing dielectric and energy storage performance of sandwich-structured polymer composite [J]. Nano Energy, 2020, 68: 104351(鈦酸鋇納米粒子內(nèi)部修飾的中空介孔碳球雜化顆粒為填料增強三明治結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料的介電和儲能性能)”。

相對電化學(xué)能量存儲器件，如普通電池、燃料電池和超級電容器等來說，介電電容器具有超快充放電速率、超高功率密度和更長的循環(huán)使用壽命，但較低的儲能密度限制了其廣泛應(yīng)用。常用的介電電容器的電介質(zhì)材料主要包括陶瓷和聚合物。其中，陶瓷材料，如鈦酸鋇、氧化鈦、鋯鈦酸鋇和鈦酸鍶鋇等具有較高的介電常數(shù)，甚至高達(dá)數(shù)千，然而較低的擊穿強度造成較低的儲能密度。與之不同的是，聚合物材料具有較高的擊穿強度和較低的介電損耗，但較低的介電常數(shù)導(dǎo)致其儲能密度也較低。 為提升聚合物的介電常數(shù)以提高儲能密度，該研究以鈦酸鋇(BT)納米粒子內(nèi)部修飾的中空介孔碳球雜化顆粒(BT@HPC)為填料、聚偏氟乙烯(PVDF)為基體，制備了三明治結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料。具體地，首先，以間苯二酚樹脂低聚物為前驅(qū)體，在無表面活性劑的條件下，通過正硅酸乙酯和原硅酸四丙酯水解產(chǎn)生的氧化硅納米顆粒為犧牲模板制備中空介孔碳球(HPC)；然后，采用溶膠-凝膠法在 HPC 內(nèi)部修飾 BT 納米粒子得到 BT@HPC 雜化顆粒；最后，以 BT@HPC 為填料、PVDF 為基體，通過旋涂和熱壓工藝制備三明治結(jié)構(gòu)的聚合物基復(fù)合材料。

結(jié)果顯示，當(dāng)該三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料兩個外層 BT@HPC 含量為 7 wt% 時，其介電常數(shù)達(dá) 39 (1 kHz)，較純 PVDF 提升了近 3 倍(介電常數(shù)～10)，并保持低介電損耗 0.03；相對于其他介電儲能材料，該復(fù)合材料中兩外層 BT@HPC 質(zhì)量含量僅為 1 wt%(對應(yīng)體積含量為 0.85 vol%)時，在較低的應(yīng)用電場～360 MV/m 下，其儲能密度可達(dá) 10.2 J/cm3、充放電效率達(dá) 77%。

該研究工作通過設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的顆粒作為多級結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的填料，為提高聚合物電介質(zhì)材料的性能以滿足電容性能量存儲器件的廣泛應(yīng)用拓寬了思路。

BT@HPC 雜化顆粒的制備流程及其填充的 PVDF 三明治結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料