電介質(zhì)電容器由于其超快充放電速率、高工作電壓、耐高溫高壓、優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命長等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于大容量電網(wǎng)技術(shù)、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電機、脈沖功率系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域，研發(fā)具有更高性能的電介質(zhì)材料已經(jīng)成為目前電介質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點與難點。然而，以簡單的物理共混為代表的傳統(tǒng)加工工藝卻難以解決聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料隨著介電常數(shù)提高而擊穿強度顯著降低的內(nèi)稟性矛盾，從而限制了具有高能量密度電介質(zhì)材料的研發(fā)。近年來，研究者們通過設(shè)計具有各種巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計的聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)材料，在高能量密度的電介質(zhì)材料的研發(fā)上取得了令人興奮的進展。然而，電介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與其相關(guān)的綜合性能間的關(guān)系仍有待進一步梳理與總結(jié)。

  最近，青島科技大學(xué)張建明、陳玉偉等從儲能用填料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計及聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個角度出發(fā)，詳細(xì)討論了聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與其儲能性能之間的關(guān)系，系統(tǒng)地總結(jié)了用于能量存儲領(lǐng)域的高能量密度聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)的最新進展。

圖1. 綜述主要內(nèi)容及電介質(zhì)電容器應(yīng)用領(lǐng)域展示。

儲能用填料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲能用聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

  本文從填料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面系統(tǒng)地總結(jié)了聚合物基電介質(zhì)材料的研究進展，討論了聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與其儲能性能之間的關(guān)系，并且提出了目前在研發(fā)高能量密度的聚合物基復(fù)合電介質(zhì)方面面臨的瓶頸和挑戰(zhàn)。最后，基于上述工作的總結(jié)與分析，作者對未來具有高儲能性能的聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)進行了展望，即：

  （1）將填料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與復(fù)合材料的宏觀結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合，有望實現(xiàn)聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)儲能性能的新突破。過去的大多數(shù)電介質(zhì)設(shè)計策略只關(guān)注其中一個方面，而最近的研究證實，在多個尺度上合理調(diào)控材料結(jié)構(gòu)有助于改善聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)的介電和儲能性能。

  （2）多相聚合物納米復(fù)合介電材料仍未得到充分探索。目前的研究主要集中在兩相聚合物納米復(fù)合介電材料上，對多相體系研究較少。這主要與不同填料之間的相互作用機理不清，以及復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)和界面相互作用有關(guān)。然而，最近的一些研究表明，在多相體系中，不同功能填料與聚合物基質(zhì)之間的協(xié)同效應(yīng)可以顯著改善聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)的介電和儲能性能。

  （3）納米填料在聚合物基體中的取向值得深入探索。到目前為止，這方面的研究大多局限于微米級的填料，而關(guān)于納米填料的取向研究還處于起步階段。此外，由此產(chǎn)生的取向結(jié)構(gòu)缺乏多樣性和可擴展性。這些都要求開發(fā)更精細(xì)的表征方法和更切合實際的制備工藝。

  （4）最后，在未來的研究中需要展示聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)的具體應(yīng)用示例，這對于展示聚合物納米復(fù)合電介質(zhì)在許多領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力具有積極的意義。

  原文鏈接：Recent progress in developing polymer nanocomposite membranes with ingenious structures for energy storage capacitors.

  https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105140