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西安交通大学周迪教授课题组在有机-无机复合电介质材料储能方面取得重要进展
Publisher: 周迪 | 2022-10-19 | 6477

https://mp.weixin.qq.com/s/lUgohEx8EOkvwi39WqZYIw

 

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研究背景

与电解电容器和陶瓷电容器相比，薄膜电容器不仅击穿电场大、功耗低、加工简单，而且具有耐压高、储能效率高、制备成本低等优点，所以成为电力-电子系统中不可缺少的一部分。作为电荷存储和控制模块，薄膜电容器可用于各种类型的电路，如缓冲器、滤波器和直流转换器等。而且，薄膜电容可以在极短的时间内释放储存的能量，提供超高功率密度，是高功率脉冲设备的首选器件。然而，受限于其体积能量密度，目前薄膜电容器的储能能力并不高，这也成为了电力-电子系统的短板。

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论文摘要

近期，材料领域期刊Journal of Materials Chemistry A在线报道了西安交通大学周迪教授课题组在有机-无机复合电介质材料储能方面取得的重要进展。论文题目为：Enhancement in energy storage performance of the P(VDF-HFP)-based composites by adding PLZST inorganic nanoparticles (DOI: 10.1039/d2ta04302e)。在本工作中，不同于传统的无铅储能研究方向，作者将具有高介电常数和电位移的铅基反铁电陶瓷Pb0.96La0.04[(Zr0.55Sn0.45)0.92Ti0.08]0.99O3作为纳米填料（0.5 vol.%），与P(VDF-HFP)聚合物复合，使用流延法制备得到PLZST/P(VDF-HFP)纳米复合材料。利用修正的介电击穿模型（DBM），采用COMSOL 多物理场耦合有限元法在静电场下对薄膜电介质材料的电场分布进行模拟计算，然后利用导出的数据使用 Matlab 软件来实现电树枝生长的仿真模拟；实测的击穿电场为510 MV/m时，室温下最佳储能密度和效率分别为15.83 J/cm3和74.17%。该论文第一作者为西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院博士生郭艳，通讯作者为电子学院周迪教授。

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主要研究内容

 

图1：PLZST/P(VDF-HFP)纳米复合材料：(a) 制备过程；(b)表面 SEM 图像；(c) XRD图谱和晶体结构。

 
 

图2：PLZST/P(VDF-HFP)纳米复合材料：(a) 韦伯分布；(b) 直流电阻率；(c) 电场分布；(d) 电树演化过程。

 
 

图3：PLZST/P(VDF-HFP)纳米复合材料的储能性能。

实验结果表明：高介电常数、高极化、低损耗的PLZST反铁电无机纳米颗粒的加入改善了聚合物材料的介电性能和击穿电场，降低了漏电流和损耗，有助于增强复合薄膜的储能性能；在添加量仅为0.5 vol.%时获得了最佳的综合储能性能，这为提高纳米复合材料的储能性能提供了一种简单、经济且有效的方法，具有潜在的应用价值。

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团队介绍

 

周迪，教授、博士生导师，西安交通大学电子科学与工程学院副院长。在国际知名期刊发表科技论文200余篇（J Am Ceram Soc、J Mater Chem (A/C)、Energy Environ Sci、Chem Mater、Adv Funct Mater、Acta Mater、Appl Phys Lett等，其中第一作者文章60篇，通讯作者文章共156篇），总引用次数8500余次（Google Scholar H-index=51），申请中国发明专利25项（已授权17项）。多次参加功能陶瓷类国际学术会议（亚洲电子陶瓷会议Asian Meeting on Electroceramics、国际陶瓷会议International Conference on Ceramics、International Symposium on Integrated Functionalities等），获得国际衍射数据中心标准X射线衍射卡八项。主持国家自然科学基金联合/面上/青年基金、陕西省国际合作项目、华为公司横向课题，作为研究骨干参与国家973计划、国家863计划、国家重点研发计划等，在微波介质结构性能调节分析、LTCC低温共烧陶瓷技术应用、谐振器滤波器及天线基板应用等方面取得一系列新颖的研究成果。

 

课题组近期在高功率电容器用储能介质领域取得了一系列新颖的成果，Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2111776（KNN基无铅高储能陶瓷）；Advanced Functional Materials, 2022, 2204155（MgO零维/一维/二维填料提升PI高温储能特性）；Chemical Engineering Journal, 2021, 419, 129601（BNT-SST基无铅高储能陶瓷）；Nano Energy, 2020, 78, 105247（BT基弛豫铁电填料提升PVDF储能特性）；Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 11124（MgO包覆BT基填料提升PVDF储能特性）。更多内容欢迎访问周迪教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220。

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文章信息

https://doi.org/10.1039/D2TA04302E

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