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中国科大等在高储能电介质电容器研究中取得进

作者:浙江体彩网 发布时间:2021-02-11 20:18 点击:

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记使命,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和国家安全做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于北京,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大坚持“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大秉持“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

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  2020年南昌大学-中国科学院稀土研究院“稀土专项”联合培养博士研究生“申请-考核”制招生公告

  中国科学技术大学李晓光团队联合清华大学教授沈洋课题组在高储能密度柔性电容器领域取得新进展。研究者成功找到了一种可以大幅度提高聚合物基复合材料击穿电场强度和介电储能密度的方法,该方法可推广至不同的柔性聚合物电介质材料,为今后高储能电容器的设计提供了一种可行的方案。该成果以Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites为题在线发表在《先进材料》(Adv. Mater.)杂志上。

  电介质电容器由于其超快的充放电速率和超高的功率密度,成为智能电网调频、电磁炮等高能武器系统的核心器件,并在新能源电动汽车、可穿戴电子等领域具有广阔应用前景。其中,成本低、易加工、耐高电压的柔性聚合物是最有潜力的电容器电介质材料之一,但其低介电常数导致的低储能密度限制了当今电子工业对器件小型化和高性能化的要求。针对这一难题,人们提出将高介电常数的无机填料加入到聚合物基体中,用于制备高储能密度复合材料,但通常高体积分数的无机材料的加入会降低复合材料击穿电场强度,对使用安全和寿命造成影响。因此,在介电常数提高的同时进一步提升材料击穿场强,是获得高储能密度复合材料亟需解决的难点。

  针对上述挑战,合作团队提出了一种普适的可行策略,即利用带负电无机填料的局域反向电场抑制二次碰撞电子的产生,从而阻碍击穿相的形成发展,进而提升复合材料击穿场强和储能密度。基于此,研究人员制备出掺入少量带负电的2维Ca2Nb3O10填料的聚偏二氟乙烯(PVDF)基复合材料,在提高其介电常数的同时,获得了极高的击穿场强(~792MV/m)和储能密度(~36.2 J/cm3),该柔性电容器的储能密度是目前已报道聚合物基复合材料中最高的,是目前最好的商用双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜电容器的18倍,甚至超过了商用电化学电容器(20-29 J/cm3)。此外,相比于PVDF基体,复合材料的杨氏模量也有明显的提高而漏电流密度依然维持在较低水平,这些分别有利于避免机电击穿与电热击穿的发生。为了进一步验证该策略的普适性,研究人员基于相场模拟和有限元计算验证了纳米片填料负电荷对抑制电击穿的重要作用,并在聚苯乙烯(PS)基复合材料中同样实现了击穿场强与储能密度的大幅提升。该项研究工作为今后高能量密度柔性电介质储能材料的实用化提供了全新的思路。

  中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理学院教授李晓光、殷月伟以及清华大学材料学院教授沈洋为论文通讯作者。中国科大博士生包志伟、侯闯明和清华大学博士生沈忠慧为论文共同第一作者。

  该项研究得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、中国科大“双一流”人才团队平台项目的资助。

  图例说明:a.复合材料示意图。b.复合材料电击穿过程的相场模拟中,带负电Ca2Nb3O10纳米片对电树枝发展起阻碍作用。c. PVDF基复合材料与纯PVDF的储能密度与电场的关系。d.不同聚合物基纳米复合材料的击穿强度和能量密度的对比。

  中国科学技术大学李晓光团队联合清华大学教授沈洋课题组在高储能密度柔性电容器领域取得新进展。研究者成功找到了一种可以大幅度提高聚合物基复合材料击穿电场强度和介电储能密度的方法,该方法可推广至不同的柔性聚合物电介质材料,为今后高储能电容器的设计提供了一种可行的方案。该成果以Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites 为题在线发表在《先进材料》(Adv. Mater.)杂志上。

  电介质电容器由于其超快的充放电速率和超高的功率密度,成为智能电网调频、电磁炮等高能武器系统的核心器件,并在新能源电动汽车、可穿戴电子等领域具有广阔应用前景。其中,成本低、易加工、耐高电压的柔性聚合物是最有潜力的电容器电介质材料之一,但其低介电常数导致的低储能密度限制了当今电子工业对器件小型化和高性能化的要求。针对这一难题,人们提出将高介电常数的无机填料加入到聚合物基体中,用于制备高储能密度复合材料,但通常高体积分数的无机材料的加入会降低复合材料击穿电场强度,对使用安全和寿命造成影响。因此,在介电常数提高的同时进一步提升材料击穿场强,是获得高储能密度复合材料亟需解决的难点。

  针对上述挑战,合作团队提出了一种普适的可行策略,即利用带负电无机填料的局域反向电场抑制二次碰撞电子的产生,从而阻碍击穿相的形成发展,进而提升复合材料击穿场强和储能密度。基于此,研究人员制备出掺入少量带负电的2维Ca2Nb3O10填料的聚偏二氟乙烯(PVDF)基复合材料,在提高其介电常数的同时,获得了极高的击穿场强(~792 MV/m)和储能密度(~36.2 J/cm3),该柔性电容器的储能密度是目前已报道聚合物基复合材料中最高的,是目前最好的商用双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜电容器的18倍,甚至超过了商用电化学电容器(20-29 J/cm3)。此外,相比于PVDF基体,复合材料的杨氏模量也有明显的提高而漏电流密度依然维持在较低水平,这些分别有利于避免机电击穿与电热击穿的发生。为了进一步验证该策略的普适性,研究人员基于相场模拟和有限元计算验证了纳米片填料负电荷对抑制电击穿的重要作用,并在聚苯乙烯(PS)基复合材料中同样实现了击穿场强与储能密度的大幅提升。该项研究工作为今后高能量密度柔性电介质储能材料的实用化提供了全新的思路。

  中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理学院教授李晓光、殷月伟以及清华大学材料学院教授沈洋为论文通讯作者。中国科大博士生包志伟、侯闯明和清华大学博士生沈忠慧为论文共同第一作者。

  该项研究得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、中国科大“双一流”人才团队平台项目的资助。

  图例说明:a. 复合材料示意图。b. 复合材料电击穿过程的相场模拟中,带负电Ca2Nb3O10纳米片对电树枝发展起阻碍作用。c. PVDF基复合材料与纯PVDF的储能密度与电场的关系。d. 不同聚合物基纳米复合材料的击穿强度和能量密度的对比。

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