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[学位]

基于结构设计的高储能密度聚合物纳米复合材料

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Author:

王轶飞 (王轶飞.)

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Abstract:

随着化石燃料的枯竭与环境问题的日渐严峻,可再生能源的利用和新型储能技术的开发成为了世界学术界和工业界的研究热点。在众多储能技术中,介电储能具有功率密度高、充放电速度快等优点,在间歇式新能源储存、功率器件制造等领域具有广泛的应用前景。聚合物基电介质材料因具有较高的击穿场强、良好的柔性与可塑性、生产成本低廉等特点,是制造介电储能器件的首选材料。然而,受限于较小的介电常数,大多数聚合物电介质的储能密度均较低,比锂电池、超级电容器等其他电储能器件的储能密度至少低一个数量级。近年来,许多研究工作致力于在聚合物中引入高介电常数陶瓷来提高储能密度,但陶瓷的电导率一般较高,陶瓷填料的大量引入会严重损害聚合物的击穿场强。
本文为解决陶瓷/聚合物复合材料中高介电常数与高击穿场强无法兼得的问题,将宏观结构设计引入到复合材料的制备中,开发出具有层状结构的2-2型纳米复合材料。通过改变各层中的陶瓷含量,可实现外加电场在复合材料中的重新分布并在局部构建出弱电场区,这将有效阻碍击穿电树的发展与传播,从而保障在纳米陶瓷粉体加入后材料仍具有较高的击穿场强。在此基础上,通过对组分、结构的优化,可进一步提高层状复合材料的储能密度、充放电效率等性能。该工作为高储能密度电介质材料的开发与工业化应用奠定了重要基础。
本文首先根据结构设计思路,结合聚合物薄膜流延工艺制备出A-B-A型三明治结构BaTiO3/PVDF纳米复合材料,其中A层具有较高的陶瓷含量以提供高介电常数,B层负责提供较高的击穿场强。通过调控A层中BaTiO3的体积分数,使复合材料的击穿场强提升为聚合物基体的1.5倍,并获得了高达18.8 J·cm-3的储能密度。。三明治结构中各层介电常数的差异会使电场在B层中集中,而在A层中形成局部弱电场区,这是导致三明治复合材料具有优良绝缘特性的主要原因。
三明治复合材料的充放电效率可通过陶瓷粉体表面包覆和陶瓷含量的调控得以有效提升。一方面,多巴胺表面改性剂的引入提高了陶瓷粉体在聚合物中的分散性,可阻碍导电通路的形成。另一方面,陶瓷含量对电场分布具有显著影响,而陶瓷含量的改变会进一步影响到复合材料漏电流密度。材料弱电场区的形成显著优化了三明治复合材料的绝缘特性,使得材料整体的电导率降低、电导损耗降低,从而使复合材料在具有超过15 J·cm-3储能密度的同时还展现出了高达70%的充放电效率。
为进一步抑制电极注入电荷对复合材料击穿场强及充放电效率等性能的损害,在三明治结构的基础上设计出B-A-B型逆三明治结构复合材料。该结构中具有高击穿场强的B层被作为外层与电极相邻放置,从而保护高介电常数A层不直接受到电极注入电荷的危害。该结构优化使得三明治复合材料的击穿场强大幅提高,获得了26.4 J·cm-3的超高储能密度。另外,由于绝缘性能的提升,复合材料的充放电效率也显著提升至72%。这一综合性能为三层结构复合材料的最优值。
针对目前介电复合材料工作所需驱动电压较高的问题,本文设计出陶瓷含量自上而下逐层递增的A-B-C型梯度结构复合材料。梯度结构不仅继承了三明治结构中电场不均匀分布的特点,还可在保证高击穿场强的同时容许更多陶瓷粉体引入聚合物基体中。陶瓷含量的提高使复合材料介电常数增大,因而在390 MV·cm-1的低驱动电场下也可获得高于15 J·cm-3的储能密度。梯度复合材料中电场强度也呈现梯度分布,各层间的电场梯度大小对击穿电树的发展起着至关重要的作用。
由于一维陶瓷纤维可提供较大的极化强度,且纤维垂直电场方向排列时可提高复合材料的击穿场强,因此将一维陶瓷纤维作为填料来进一步提高梯度复合材料的储能性能。为保障梯度结构中含有高陶瓷含量的一层不受电极注入电荷的危害,在其外侧特别加置了一层超薄的聚合物缓冲层。上述优化手段显著抑制了复合材料的能量损耗,使击穿场强大幅提高至510 MV·cm-1,同时获得了17.5 J·cm-3的储能密度和高于70%的充放电效率。通过改变梯度结构中间层的陶瓷体积分数可调控各层间的电场梯度大小,发现只有保障各界面处电场梯度均较大时,梯度复合材料的电绝缘性能才能达到最强。

Keyword:

储能密度 结构设计 介电性能 纳米复合材料

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Degree: 博士

Mentor: 汪宏

Year: 2018

Language: Other

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