【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系汪宏教授團(tuán)隊(duì)在高溫介電儲能材料方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Enabling superior high-temperature capacitive performance in polymer dielectrics by multifunctional alternating nanolaminate coating”為題，發(fā)表于國際期刊Energy&Environmental Science。
隨著可再生能源、新能源汽車與航空航天等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對能在高溫(如150°C以上)、高電場下穩(wěn)定運(yùn)行的高性能儲能元件的需求日益迫切。然而，在高溫、高電場作用下，電極/介質(zhì)界面處的電荷注入會引發(fā)顯著的電導(dǎo)損耗，導(dǎo)致儲能效率和循環(huán)壽命急劇衰減。當(dāng)前，通過在聚合物兩側(cè)引入無機(jī)阻擋層是抑制電荷注入的主流策略，但傳統(tǒng)無機(jī)材料面臨的根本性矛盾在于，其“寬禁帶”(阻擋電荷注入)與“高介電常數(shù)”(均勻電場)的關(guān)鍵屬性均難以在同一材料中實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化。即使是綜合性能較優(yōu)的氧化鋁，其電荷阻擋能力也已接近該材料體系的理論極限。
針對這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種突破性的解決方案：摒棄單純依賴超寬帶隙材料的傳統(tǒng)思路，轉(zhuǎn)而將禁帶相對較窄但介電常數(shù)更高的3nm超薄氧化鋯納米層，作為功能夾層嵌入氧化鋁層內(nèi)部。研究人員利用原子層沉積技術(shù)，在聚合物薄膜雙面制備出總厚度僅約36nm的氧化鋁/氧化鋯交替納米疊層。基于這一獨(dú)創(chuàng)的界面結(jié)構(gòu)，經(jīng)涂覆的聚碳酸酯薄膜在150°C高溫下實(shí)現(xiàn)了8.50J cm-3的放電能量密度，同時充放電效率高達(dá)96.4%，其綜合性能顯著優(yōu)于任何單涂層體系，創(chuàng)造了聚合物基電介質(zhì)的新紀(jì)錄。此外，該界面工程設(shè)計還將薄膜在高溫下的充放電循環(huán)壽命提升了近兩個數(shù)量級。
截面開爾文探針力顯微鏡、普克爾斯效應(yīng)成像、能帶分析與相場模擬結(jié)果表明，在“嵌入式”納米疊層工程設(shè)計中，外層的氧化鋁(約10nm)憑借其寬帶隙，構(gòu)筑了抑制電荷注入的高能勢壘；內(nèi)嵌的氧化鋯層(約3nm)則利用其較高的介電常數(shù)，在橫向再分布電場、緩解局部集中的同時，引入了深能級電荷束縛中心以捕獲載流子。
在材料制備方面，界面納米工程策略在多種聚合物基底(如聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚芴酯)上均可實(shí)現(xiàn)顯著且穩(wěn)定的性能提升。所制備的涂層薄膜在獲得卓越電學(xué)性能的同時，保持了優(yōu)異的機(jī)械柔韌性，顯示出與規(guī)模化卷對卷制造工藝的良好兼容潛力，兼具廣泛的普適性與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。
本研究提出的界面納米工程策略，為開發(fā)適用于下一代電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)、可再生能源逆變器及先進(jìn)航空電力系統(tǒng)的耐高溫、高能量密度、高穩(wěn)定性的薄膜電容器，提供了清晰可行、極具潛力的材料創(chuàng)新路徑。
南方科技大學(xué)與香港科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉禹岐為論文第一作者，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究助理教授董久鋒和科研助理劉凱鑫為共同第一作者。汪宏、董久鋒及香港科技大學(xué)王建農(nóng)教授為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金及香港特別行政區(qū)研究資助局等項(xiàng)目資助。
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