在現有儲能設備中，介電聚合物薄膜電容器以其功率密度高、充放電速度快、工作電壓高、使用壽命長等優點成為脈沖儲能器件的首選。然而，現有聚丙烯薄膜電容能量密度太低，電介質儲能的本質在于介質材料的極化行為,介質材料的極化強度愈高, 擊穿電場愈強,則材料單位體積儲存的電能就愈大。當前的研究工作大多是圍繞著提高介質材料的擊穿場強與介電常數(極化強度)來展開的。結合高擊穿 場強的聚合物與高介電常數的陶瓷填充物,制備介質復合材料是一種獲取高儲能性能的有效方法。但是,低含量的零維陶瓷填充物對復合材料的介電常數提升有限,而高含量的陶瓷填充物在提高介電常數的同時,不可避免導致氣孔等缺陷產生,不僅會增加電導損耗、降低復合材料的擊穿場強,而且還會損害復合材料的機械柔性。
相對于零維納米顆粒,高長徑比的納米纖維在不(或不過多)犧牲擊穿場強前提下,可以誘導產生更大的電偶極矩,從而有效提高復合材料的介電常數(電位移),進而提升儲能性能。本文介紹了利用各種一維納米填料制備聚合物基納米復合材料的最新進展。
圖1 一維納米填料聚合物基納米復合介電儲能材料的工藝流程圖
文章主要分為六個部分。第一部分介紹了聚合物納米復合薄膜電容器的特點；第二部分介紹了聚合物納米復合材料中儲能及其增強機理等基本知識；第三部分比較了各種儲能電容器在介電和儲能應用中的能力；第四部分利用有限元模擬進行分析；第五部分對各種一維填充納米復合材料進行比較；最后，第六部分對聚合物納米復合材料的應用前景及面臨挑戰進行展望。
圖2 本文所含內容的綜合流程圖
圖3 不同尺寸納米粒子修飾納米復合材料的有限元模擬
為了更好地分析一維填充納米復合材料是作為儲能應用的最佳選擇之一，他們使用相同的參數進行了有限元模擬。從圖3(a1-a3)可看出，零維填充納米復合材料內部產生的局部電場遠高于基體材料的擊穿強度；圖3(c1?c3)和(e1?e3)說明一維和二維填充的納米復合材料可成功抑制外部電場；圖3(b1-b3), (d1-d3), 和(f1-f3)說明，與零維和二維填充的納米復合材料相比，一維填充納米復合材料與聚合物基體結合時提供了最高的極化率。因此，一維納米填料改性聚合物納米復合材料具有較高極化和擊穿強度，是提高納米復合材料儲能特性的主要因素。
圖4 不同取向一維填充納米復合材料的有限元模擬
圖4(a1-a3)顯示了在平行排列的一維填充納米復合材料內部產生了局部電場；圖4(c1-c3)和(e1-e3)分別說明垂直排列和隨機排列的納米復合材料能成功阻礙外部電場；圖4(b1?b3),(d1?d3)和(f1?f3)說明與垂直和隨機排列的一維納米復合材料相比，平行排列的一維填充納米復合材料在與聚合物基體結合時提供了最高極化率。因此，平行排列的一維納米填料改性聚合物納米復合材料具有較高極化率，當電場較低時，儲能特性相對較高。
圖5 不同成分的一維納米填料電學參數的比較
圖5a，b顯示SDFC的Ue最高為31.2 J/cm3，充放電效率為78%；圖5c,d可以看出表面修飾的納米復合材料在納米復合介質中具有最高的能量密度，主要由于8000kV/cm的最高擊穿電場，其次是因為線性鐵電分層界面和納米復合材料與鐵電聚合物的兼容性導致的高Dmax與低Pr值。從而得出結論，為了在納米復合介質中獲得更高的能量密度，擊穿強度的提高至關重要。為了實現更高的可釋放能量密度和充放電效率，需考慮一維納米填料、三明治拓撲結構和高電場強度聚合物基體。
總之，雖然一維聚合物納米復合膜電容器領域已經進行了大量的研究，但要獲得納米復合材料中低損耗的巨大儲能密度還需要進一步的研究。此外，納米復合材料是一個跨學科的領域，它在很大程度上依賴于跨越傳統學科界限的合作以及不同領域的共同努力，以開發用于儲能應用的聚合物納米復合材料。
文章以《Polymer Matrix Nanocomposites with 1D Ceramic Nanofillers for Energy Storage Capacitor Applications》為題發表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，華中科技大學材料科學與工程學院材料成形與模具技術國家重點實驗室張海波副教授為第一作者及共同通訊作者。
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