第一作者：迟庆国通讯作者：冯宇，张天栋通讯单位：哈尔滨理工大学聚合物基储能介质是众多电容器的关键材料，高的储能密度与充放电效率不仅能提高储能介质的运行能效，还能有效地减小电容器的体积。然而，纯聚合物介质的储能密度往往偏低，填充高介电特性填料的复合介质储能密度虽可大幅提高，但又因填料的引入而造成损耗过大，因此伴随着填充型聚合物基复合介质长期存在的挑战是优异的储能效率和储能密度通常不能同时获得。因此，开发具有协调的综合储能特性的电介质材料是该领域研究人员一直的奋斗目标。1.含有一维高介电特性填料的聚合物基复合介质大储能密度与高储能效率的同时获得。2.一维高介电特性填料直径尺寸调控对复合介质内部电场分布影响及储能特性的再优化。为了使复合介质拥有最佳的综合储能特性，考虑并设计了复合介质的四个基本因素：基体材料、填料种类、有机-无机界面和填料的排列构型。在这项研究中，选择具有低介电损耗的聚醚酰亚胺（PEI）为聚合物基体，选择具有高介电常数的一维BaTiO3纳米纤维(BTNFs)为填料，选择具有高绝缘特性的SiO2层作为有机基体-无机填料间的界面层，利用高速静电纺丝技术获得一维填料平行于介质表面（垂直于外加电场）方向排布的复合介质。通过调控一维BaTiO3纳米纤维填料的直径，合理优化复合介质内部电场分布，在某一序列样品中获得最佳的介质储能特性。鉴于此，哈尔滨理工大学的迟庆国，冯宇与张天栋等人通过构建聚合物基复合介质的非均一性结构，调控纤维填料的直径，最终在复合介质中获得的kV/mm的击穿场强，15.4J/cm3的储能密度和86.1％的储能效率。要点1.四种不同直径的BT纳米纤维的制备通过调控静电纺丝工艺，设计并获得了四种直径不同的BTNFs（BT-1NFs、BT-2NFs、BT-3NFs和BT-4NFs），他们的直径分别约为nm、nm、nm和1μm。并利用溶胶凝胶法在四种纤维的表面成功包覆了SiO2界面层，获得四种“核-壳”结构的复合纤维（BT-1

SiO2,BT-2

SiO2,BT-3

SiO2和BT-4

SiO2）。图1.（a）BT纳米纤维的制备流程图。（b）BT-1，（c）BT-2，（d）BT-3和（e）BT-4纳米纤维的SEM图像。（b1），（c1），（d1）和（e1）是（b），（c），（d）和（e）相应的直径统计直方图要点2.含有一维填料取向分布的聚合物基复合介质的制备利用高速静电纺丝技术制备一维填料沿着薄膜表面取向分布的复合介质。通过复合介质断面扫描电镜可以清晰地发现纤维所拥有的定向排列方式，此外，元素面扫描也验证了定向的效果。X射线衍射图谱与红外光谱等表征结果证明复合介质中两相材料的存在。表征结果显示复合结构达到了预期的设想。图2.（a）复合材料的制备流程图。（b）BT-1

SiO2/PEI，（c）BT-2

SiO2/PEI，（d）BT-3

SiO2/PEI和（e）BT-4

SiO2/PEI的断面SEM照片。（c1）和（e1）是（c）和（e）的元素分布图要点3.复合介质的击穿强度与漏电流密度相同填充含量下，复合介质的威布尔分布击穿强度随着BTNFs直径的增加先增大后减小。当BTNFs的直径固定时，随着填料含量的增加，其威布尔击穿强度的变化趋势与上述相同。在该实验范围内，当无机填料含量为0.5vol.％且BTNFs的直径约为nm时，可获得最大的威布尔击穿强度（Eb?.7kV/mm，β?7.2）。复合介质的漏电流密度随BTNFs直径和填料含量的变化趋势与威布尔击穿强度一致。图3.以纤维直径与填料含量为变量的复合介质的（a）威布尔击穿强度和（b）泄漏电流密度云图要点4.复合介质的储能特性总体而言，复合介质的储能密度随着无机填料含量的增加而增加，这是由于BTNFs介电常数较大造成的。值得注意的是，当BTNFs的直径约为nm时，0.5vol.%BT-2

SiO2/PEI复合介质在kV/mm场强下的储能密度达到15.4J/cm3，储能效率达到86.1％。在电场强度低于kV/mm的情况下，0.5vol.%BT-2

SiO2/PEI复合介质的储能效率均高于90％。与纯PEI相比，添加了BT

SiO2NFs的复合介质具有更佳的极化，其综合储能特性显著提高。其中，PEI较低的固有损耗是复合介质实现出色的储能效率的主要因素，此外，BT

SiO2“核-壳”结构填料的取向分布以及BTNFs的合理直径也提供了积极的影响。要点5.复合介质内部电场分布的有限元模拟通过COMSOLMultiphysics有限元仿真模拟在kV/mm场强下四种“核-壳”结构填料含量为0.5vol.%时复合介质内部的电场分布。结果显示四种复合介质中，BT核部分电场分布最低、PEI基体适中、SiO2壳层最高。由于SiO2壳层具有良好的绝缘性，复合介质可以承受较高的电场。可以注意到，BT-2

SiO2/PEI复合介质具有最大的“核”分布电场和最小的“壳”分布电场，复合介质的基体中与界面处的电场值较小，较合理的电场分布对复合介质拥有较大的击穿场强起到积极作用。图4.（a）BT-1

SiO2/PEI，（b）BT-2

SiO2/PEI，（c）BT-3

SiO2/PEI和（d）BT-4

SiO2/PEI四种复合介质内的电场分布有限元模拟这项工作在合理设计与选择基体材料、填料种类、有机-无机界面和填料的排列构型后，在聚合物基复合介质中获得较大的储能密度，这一研究工作也证实了调控一维高介电填料的直径尺寸，可以使复合介质在电场作用下获得更加合理的内部电场分布，从而进一步提高复合介质的综合储能特性，使复合介质获得了较大的储能密度和较高的储能效率。这一工作为新型聚合物基复合介质的微观结构设计与调控提供了研究思路。QingguoChi,YinhuaZhou,YuFeng*,YangCui,YueZhang,TiandongZhang*,QingguoChen.Excellentenergystorageperformanceofpolyetherimidefilledbyorientednanofiberswithoptimizeddiameters,MaterialsTodayEnergy,,DOI:10./j.mtener...


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