近日，哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院和鄭州研究院常云飛教授、王大偉教授課題組提出一種在基體中引入二維鉍層狀鐵電微晶以及構建復合物雙層結構的協同設計方法，突破了聚合物基介電材料在儲能性能提升方面的限制。相關研究成果以《通過引入二維鐵電微晶實現聚合物基雙層復合材料的高儲能性能》(Superior energy storage capacity of polymer-based bilayer composites by introducing 2D ferroelectric micro-sheets)為題發表在《自然通訊》(Nature Communications)上。
 

　　聚合物基介質電容器具有充放電速率快、功率密度高、柔性好、可以自愈等優點，在儲能器件和先進電子電力系統中發揮著至關重要的作用。然而，聚合物基介電材料存在擊穿場強不高、介電常數較低以及電遲滯高的問題，難以同時獲得大幅度提升的儲能密度和儲能效率，阻礙了相關器件和系統向高性能化、微型化及輕量化方向的發展。
 

通過在基體中引入二維鐵電微晶和構建雙層結構來實現聚合物基復合材料的高儲能性能
 

　　針對此現狀，常云飛教授、王大偉教授課題組提出了在聚合物基體中引入二維鉍層狀鐵電Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)片狀微晶以及構建復合物雙層結構的設計思路(圖d)，協同利用引入NBT微晶所產生的電勢壘效應和構建雙層結構所產生的界面效應(圖a-c)，有效地抑制了電荷在聚合物層內和層間的傳輸，大幅度提高了擊穿場強，同時也提高了聚合物的介電常數，增強了其極化能力?；诖搜兄频碾p層聚合物基復合材料NBT-PEI/NBT-P(VDF-HFP)具有大幅度提升的儲能密度(Udis~25.0 J/cm3)，并兼顧較高的儲能效率(η~81.2%)。該工作可為未來研發高性能聚合物基電介質提供重要指導，并為先進儲能器件和系統應用提供了一種高性能聚合物基儲能材料。
 

　　哈爾濱工業大學儀器科學與工程學院為論文第一完成單位，常云飛教授、王大偉教授以及湖北大學張清風教授為論文共同通訊作者。儀器科學與工程學院博士研究生范鎮豪為論文第一作者，博士研究生戴劍、謝航、岳文峰等參與相關研究工作。