近日，我校机械工程学院汶飞副教授联合电子信息学院智能传感器和微系统教育部工程中心王高峰教授团队以第一作者第一单位在Chemical Engineering Journal(影响因子：15.1)上发表题为“High-temperature energy storage with a new tri-layers polymer composites via hybrid assembly engineering”的研究论文(DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151458)。我校电子信息学院研究生袁鸿斌、蒋梦泉、杨平安、李丽丽副教授、王高峰教授、李文钧教授、吴薇教授、武汉理工大学王建、沈忠慧教授、MIT张麟研究员和伍伦贡大学张树君为共同作者。其中，我校李丽丽副教授、王高峰教授、沈忠慧教授和张树君教授为共同通讯作者。
作为电力、电气及电子信息系统中最重要的电子元器件之一，薄膜电容器被广泛应用于电路中实现隔直通交、耦合、旁路、滤波、能量转换及控制等功能。与电池、电化学电容器等相比，薄膜电容器具有使用电场强度高、电能释放速度快、功率密度高等特点，尤其适用于需要在短时间内释放出大量电能的放电电容器。高温薄膜电容器已广泛应用于众多领域，例如混合动力汽车，智能电网和脉冲电源中的储能组件。
随着智能电网和混合动力电动汽车，高能量密度的薄膜电容器需求越来越急迫。由双向拉伸聚丙烯（BOPP）制成的商用薄膜电容器具有高能量效率，但低能量密度仅为2.0-3.0J/cm3，而较差的热稳定性限制了它们的高温应用。近年来，科学家通过改性极性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物，将PVDF基聚合物的储能密度提高到17 J/cm3，但是其高温特性差，限制了其未来应用。而在实际应用中，从功耗和安全的角度考虑，薄膜电容器不仅需要具备优越的电性能，还要求电介质材料可以在较高温度下获得较高的储能密度和效率。
在这项工作中，为了获得具有更高能量密度、效率以及良好热稳定性的电介质，提出了混合装配工程来设计复合材料的思路，并设计了两种夹层结构，如图2所示。选择高温聚合物丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物（ABS）为基体，选择BNNS作为纳米填料以提高热稳定性和耐电压性，选择NBT-SBT（Na0.5Bi0.5TiO3-Sr0.7Bi0.2TiO3）作为填料以改善极化，以探索BNNS和NBT-SBT在不同层中的最佳组合。为了证明我们提出的混合装配工程概念，我们首先通过铸造方法制备了具有BNNS/ABS（B层）和NBT-SBT/ABS（S层）的单层聚合物复合材料。然后，通过热压制备三层复合材料SBS（外侧为S层，中间为B层）和BSB（外侧为B层，中间是S层），如图2所示。在研究过程中，采用不同的实验方法测试了复合材料的介电性能、储能性能、充放电性能，并进行了对比研究。
图2 本论文中的设计思路、与现有电容器储能性能对比以及在120oC高达106循环次数
研究发现，优化复合材料SBS（NBT-SBT/ABS复合材料外层和BNNS/ABS复合物中间层）性能表现更优异：室温下，SBS复合材料在650MV/m下储能密度为18.1J/cm3，储能效率在85%以上；在120℃时， SBS复合材料显示出优异的高温储能性能，最大能量密度575MV/m时可达到15.0 J/cm3，是BOPP的8倍，同时效率保持在89%，超过BOPP的性能（在120℃时＜70%）。特别重要的是，它出色的循环可靠性和热稳定性，高达106循环不衰减。在高温和高功率能源方面显示出巨大的潜力存储电容器。
为了更好地了解不同种类的纳米填料对所研究的复合材料的极化和热稳定性的影响，采用相场法模拟了纳米复合材料的局部极化矩和焦耳热诱导的温度变化以及在高电场下的介电击穿过程，如图3所示。BNNS纳米填料的引入主要是提高纳米复合材料的热稳定性和击穿强度的原因，而NBT-SBT提供了更大的极化。因此，同时含有BNNS和NBT-SBT填料的SBS复合材料有望在极化和热击穿之间实现良好的平衡，从而表现出优异的储能性能。这将大大拓宽储能应用的纳米复合材料设计范围。
图3 相场法分析复合材料的局部极化和焦耳热引起的温度变化和电场下的介电击穿过程
该研究工作受浙江省科技厅的重点研发计划项目和自然科学基金的支持。