材料學(xué)院楊海波教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表PEI基復(fù)合材料儲(chǔ)能研究新成果

近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院楊海波教授團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際頂級(jí)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(yíng)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(chǎng)強(qiáng)、輕質(zhì)量、低成本等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)電場(chǎng)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(chǔ)能效率降低等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)該問題，陜西科技大學(xué)楊海波教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新構(gòu)建了一種基于多級(jí)尺寸填料誘導(dǎo)的跨尺度電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料在寬溫域范圍內(nèi)儲(chǔ)能密度與儲(chǔ)能效率的協(xié)同提升。

研究團(tuán)隊(duì)選擇具有高絕緣性和優(yōu)異熱穩(wěn)定性的PEI作為基體進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)：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(jí)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(jí)BT微納米顆粒有效提高了介電常數(shù)，同時(shí)其構(gòu)建的跨尺度局部弱電場(chǎng)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(chǎng)對(duì)擊穿路徑產(chǎn)生二次阻斷作用的同時(shí)，且由于其優(yōu)良導(dǎo)熱性實(shí)現(xiàn)對(duì)焦耳熱的進(jìn)一步耗散?；谠摻Y(jié)構(gòu)所構(gòu)建的跨尺度電場(chǎng)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(chǔ)能密度和96.89%的超高儲(chǔ)能效率，遠(yuǎn)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(chǔ)能性能，在150 ℃和565 MV·m^-1下，其儲(chǔ)能密度為11.98 J·cm^-3，儲(chǔ)能效率為87.10%。因此，這種跨尺度電場(chǎng)調(diào)控策略為未來高性能聚合物儲(chǔ)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(jì)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(chǎng)分布

圖3 三明治結(jié)構(gòu)PEI基復(fù)合材料的電樹枝動(dòng)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(chǔ)能性能；d) 2.5-2.5復(fù)合材料儲(chǔ)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(chéng)）