中國儲能網(wǎng)訊：隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，由化石燃料等不可再生能源的燃燒所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴峻，進而引發(fā)了對可再生能源的開發(fā)和對先進儲能技術的探索。在眾多儲能器件中，介電電容器的功率密度最大、充放電速率最快，能最大效率轉(zhuǎn)化風能、潮汐能等間歇性可再生能源，然而其較低的儲能密度成為了阻礙器件小型化的關鍵問題。在電介質(zhì)材料中，介電常數(shù)和擊穿場強是決定其儲能密度的兩個關鍵物理參數(shù)。一般來說，高介電常數(shù)與高擊穿場強互為矛盾關系，因此如何同時提高介電材料的介電常數(shù)與擊穿場強成為了研究的熱點。
為進一步開發(fā)復合材料在介電儲能領域的潛力，西安交通大學汪宏教授課題組開發(fā)了一種逆構(gòu)型三明治復合材料。在該結(jié)構(gòu)中，高擊穿層作為外層貼近電極設置，而高極化層則被夾在兩個高擊穿層中間。相比于傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu)，該逆構(gòu)型三明治復合材料可以將擊穿場強提高近1.5倍，同時將儲能密度提高至原來的2倍。通過優(yōu)化填料體積分數(shù)，該構(gòu)型儲能密度最大可達到26.4 J/cm3，并具有高達72%的充放電效率。上述儲能特性為三明治類復合材料的最優(yōu)值。有限元仿真結(jié)果顯示在逆三明治結(jié)構(gòu)中，由于絕緣層被放置在外側(cè)，因此可以更好地抑制電極注入電荷對復合材料產(chǎn)生的影響，并從而提高了材料的電絕緣特性。該結(jié)構(gòu)設計突破了之前三明治結(jié)構(gòu)復合材料的擊穿特性閾值，為開發(fā)新材料提供了全新的手段。這項研究工作以“Ultrahigh energy density and greatly enhanced discharged efficiency of sandwich-structured polymer nanocomposites with optimized spatial organization”為題，于2017年12月在納米能源類重要期刊Nano Energy（影響因子12.343）上在線發(fā)表（該論文鏈接為https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517307917）。該論文第一作者為電信學院在讀博士生王軼飛，西安交通大學為該論文的第一作者與通訊作者單位。
近年來，汪宏教授團隊對介電儲能復合材料的研究取得了一系列的重要成果。2015年開發(fā)出一種BaTiO3/PVDF三明治復合材料（Yifei Wang, Hong Wang*,Advanced Materials, 27,2015, 6658），并通過對陶瓷填料比例的優(yōu)化將復合材料充放電效率提高至70%（Yifei Wang, Hong Wang*,Journal of Materials Chemistry A, 5,2017, 4710）。另外，在此基礎上首次開發(fā)了一種具有梯度填料分布的陶瓷/聚合物復合材料，實現(xiàn)了在較低驅(qū)動電場下獲得高儲能密度（Yifei Wang, Hong Wang*,Journal of Materials Chemistry A, 5,2017, 10849）。以上科研成果為通過宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)控手段優(yōu)化電介質(zhì)儲能性能提供了新思路。
參與本項工作的還有美國賓州州立大學王慶教授。該工作得到了國家973項目以及國家自然科學基金的支持。
