清華新聞網(wǎng)1月8日電 1月3日、4日，清華大學(xué)材料學(xué)院沈洋教授課題組圍繞“高溫儲能聚合物電介質(zhì)”主題，先后在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）期刊和《自然·能源》（Nature Energy）期刊上發(fā)表綜述和研究成果。
聚合物電介質(zhì)是薄膜電容器的核心材料，具有功率密度高、充放電速率快、使用溫度范圍大、耐電壓能力強等優(yōu)勢，在各類先進電子電力系統(tǒng)（如電磁能裝備、新能源汽車、風/光發(fā)電設(shè)施）中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，聚合物電介質(zhì)的能量密度相較于鋰電池、超級電容器等電化學(xué)儲能器件較低，例如工業(yè)上常用的雙軸拉伸聚丙烯的能量密度僅有5 J cm-3，且只能在105℃以下使用。為了實現(xiàn)器件的小型化和集成化，并保證其在嚴苛服役環(huán)境中的性能穩(wěn)定性，聚合物電介質(zhì)的高溫能量密度亟待提升。
圖1.聚合物電介質(zhì)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀
沈洋課題組首先從納米技術(shù)的角度綜述了高溫儲能聚合物電介質(zhì)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。根據(jù)影響聚合物電介質(zhì)高溫能量密度的三個關(guān)鍵因素“介電常數(shù)”“擊穿場強”和“熱穩(wěn)定性”，梳理了提高其高溫能量密度的主要研究方向，包括提升介電常數(shù)的關(guān)鍵在于增加偶極子數(shù)目和減弱偶極子取向阻礙，增強擊穿場強需要側(cè)重電介質(zhì)的機械增強和電荷捕獲，保障性能熱穩(wěn)定性需要兼顧高結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和快速熱導(dǎo)。基于上述研究方向，課題組介紹了不同尺度的納米技術(shù)，如宏觀層面的納米級表面包覆、填料層面的納米填料摻雜、鏈段層面的聚合物交聯(lián)、單體層面的聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計等。此外，課題組還對高溫儲能聚合物電介質(zhì)的未來發(fā)展方向進行了展望。
圖2.高溫儲能聚合物電介質(zhì)的主要研究方向
該綜述以“用于電容儲能的聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)”（Polymer nanocomposite dielectrics for capacitive energy storage）為題，發(fā)表于期刊《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。論文的第一作者為材料學(xué)院2020級直博生楊敏錚，通訊作者為沈洋，共同通訊作者為中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)材料學(xué)院教授南策文和澳大利亞臥龍崗大學(xué)教授張樹君。
基于上述研究思路，課題組合成了磷鎢酸亞納米片作為填料，開發(fā)了一種聚合物基亞納米復(fù)合電介質(zhì)，全面提升了聚合物電介質(zhì)的高溫儲能性能。其中，磷鎢酸亞納米片的厚度不足1納米，橫向尺寸達到3微米，可在復(fù)合材料中引入大量的界面區(qū)域。這使其既可通過調(diào)控周圍聚合物鏈段分布增強偶極子極化，提高介電常數(shù)，也可通過界面區(qū)域的能級失配引入高密度電荷陷阱，還可在其面外方向阻礙擊穿路徑擴展，在其面內(nèi)方向傳導(dǎo)載荷，實現(xiàn)機械增強。其次，磷鎢酸亞納米片獨特的周期排布團簇結(jié)構(gòu)賦予其極強的電荷捕獲和容納能力，可通過內(nèi)部W離子變價而捕獲大量空間電荷，顯著降低高溫漏電流。此外，這種亞納米片具有柔性，且表面接有有機表面活性劑，和聚合物基體展現(xiàn)出極高的結(jié)構(gòu)相容性，這使得亞納米復(fù)合材料的界面缺陷較少，高溫絕緣性能獲得進一步提升。因此，極小含量的亞納米片（0.2 wt%）便可使復(fù)合電介質(zhì)的介電常數(shù)、擊穿場強和熱穩(wěn)定性獲得顯著提升，在150℃和200℃下的能量密度分別達到8.1 J cm-3和7.2 J cm-3（充放電效率為90%），并實現(xiàn)200℃環(huán)境中50萬次的充放電循環(huán)。更為重要的是，課題組依托烏鎮(zhèn)實驗室，采用工業(yè)化流延設(shè)備首次實現(xiàn)了百米級長度的亞納米復(fù)合電介質(zhì)薄膜的卷對卷生產(chǎn)，所獲得的薄膜具有穩(wěn)定的儲能性能，展現(xiàn)出廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。
圖3.聚合物基亞納米復(fù)合電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能
該工作以“200度下兼具高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的卷對卷生產(chǎn)聚合物-亞納米片復(fù)合材料”（Roll-to-roll fabricated polymer composites filled with subnanosheets exhibiting high energy density and cyclic stability at 200 ℃）”為題發(fā)表于《自然·能源》（Nature Energy）期刊上。
論文的第一作者為楊敏錚和化學(xué)系2021級直博生李昊陽，通訊作者為沈洋，清華大學(xué)化學(xué)系教授王訓(xùn)為論文共同通訊作者，論文的合作者還包括南策文，清華大學(xué)材料學(xué)院教授谷林、航空航天學(xué)院教授李曉雁，天津理工大學(xué)研究員匙文雄，武漢理工大學(xué)特聘研究員沈忠慧，中科院物理所副研究員張慶華，烏鎮(zhèn)實驗室副研究員江建勇等。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-023-01541-w
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01416-3
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
