在现有储能设备中，介电聚合物薄膜电容器以其功率密度高、充放电速度快、工作电压高、使用寿命长等优点成为脉冲储能器件的首选。然而，现有聚丙烯薄膜电容能量密度太低，电介质储能的本质在于介质材料的极化行为,介质材料的极化强度愈高, 击穿电场愈强,则材料单位体积储存的电能就愈大。当前的研究工作大多是围绕着提高介质材料的击穿场强与介电常数(极化强度)来展开的。结合高击穿 场强的聚合物与高介电常数的陶瓷填充物,制备介质复合材料是一种获取高储能性能的有效方法。但是,低含量的零维陶瓷填充物对复合材料的介电常数提升有限,而高含量的陶瓷填充物在提高介电常数的同时,不可避免导致气孔等缺陷产生,不仅会增加电导损耗、降低复合材料的击穿场强,而且还会损害复合材料的机械柔性。

  相对于零维纳米颗粒,高长径比的纳米纤维在不(或不过多)牺牲击穿场强前提下,可以诱导产生更大的电偶极矩,从而有效提高复合材料的介电常数(电位移),进而提升储能性能。本文介绍了利用各种一维纳米填料制备聚合物基纳米复合材料的最新进展。

图1 一维纳米填料聚合物基纳米复合介电储能材料的工艺流程图

  文章主要分为六个部分。第一部分介绍了聚合物纳米复合薄膜电容器的特点；第二部分介绍了聚合物纳米复合材料中储能及其增强机理等基本知识；第三部分比较了各种储能电容器在介电和储能应用中的能力；第四部分利用有限元模拟进行分析；第五部分对各种一维填充纳米复合材料进行比较；最后，第六部分对聚合物纳米复合材料的应用前景及面临挑战进行展望。

图2 本文所含内容的综合流程图

图3 不同尺寸纳米粒子修饰纳米复合材料的有限元模拟

  为了更好地分析一维填充纳米复合材料是作为储能应用的最佳选择之一，他们使用相同的参数进行了有限元模拟。从图3(a1-a3)可看出，零维填充纳米复合材料内部产生的局部电场远高于基体材料的击穿强度；图3(c1?c3)和(e1?e3)说明一维和二维填充的纳米复合材料可成功抑制外部电场；图3(b1-b3), (d1-d3), 和(f1-f3)说明，与零维和二维填充的纳米复合材料相比，一维填充纳米复合材料与聚合物基体结合时提供了最高的极化率。因此，一维纳米填料改性聚合物纳米复合材料具有较高极化和击穿强度，是提高纳米复合材料储能特性的主要因素。

图4 不同取向一维填充纳米复合材料的有限元模拟

  图4(a1-a3)显示了在平行排列的一维填充纳米复合材料内部产生了局部电场；图4(c1-c3)和(e1-e3)分别说明垂直排列和随机排列的纳米复合材料能成功阻碍外部电场；图4(b1?b3),(d1?d3)和(f1?f3)说明与垂直和随机排列的一维纳米复合材料相比，平行排列的一维填充纳米复合材料在与聚合物基体结合时提供了最高极化率。因此，平行排列的一维纳米填料改性聚合物纳米复合材料具有较高极化率，当电场较低时，储能特性相对较高。

图5 不同成分的一维纳米填料电学参数的比较

  图5a，b显示SDFC的Ue最高为31.2 J/cm³，充放电效率为78%；图5c,d可以看出表面修饰的纳米复合材料在纳米复合介质中具有最高的能量密度，主要由于8000kV/cm的最高击穿电场，其次是因为线性铁电分层界面和纳米复合材料与铁电聚合物的兼容性导致的高Dmax与低Pr值。从而得出结论，为了在纳米复合介质中获得更高的能量密度，击穿强度的提高至关重要。为了实现更高的可释放能量密度和充放电效率，需考虑一维纳米填料、三明治拓扑结构和高电场强度聚合物基体。

  总之，虽然一维聚合物纳米复合膜电容器领域已经进行了大量的研究，但要获得纳米复合材料中低损耗的巨大储能密度还需要进一步的研究。此外，纳米复合材料是一个跨学科的领域，它在很大程度上依赖于跨越传统学科界限的合作以及不同领域的共同努力，以开发用于储能应用的聚合物纳米复合材料。

  文章以《Polymer Matrix Nanocomposites with 1D Ceramic Nanofillers for Energy Storage Capacitor Applications》为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上，华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室张海波副教授为第一作者及共同通讯作者。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b15005