1、第 38 卷 第 2 期 无 机 材 料 学 报 Vol.38 No.2 2023 年 2 月 Journal of Inorganic Materials Feb.,2023 收稿日期:2022-06-19;收到修改稿日期:2022-09-21;网络出版日期:2022-10-28 基金项目:国家自然科学基金(52162018);中国航空科学基金(2020Z056056001);江西省杰出青年基金(20224ACB214007);南昌航空大学研究生创新专项基金(YC2022-s703)National Natural Science Foundation of China(52162018);
2、Aeronautical Science Foundation of China(2020Z056056001);Jiangxi Provincial Natural Science Foundation(20224ACB214007);Innovation Special Foundation for Graduate Students of Nanchang Hangkong University(YC2022-s703)作者简介:谢 兵(1983),男,博士,副教授.E-mail: XIE Bing(1983),male,PhD,associate professor.E-mail: 文
3、章编号:1000-324X(2023)02-0137-11 DOI:10.15541/jim20220343 高储能密度聚合物基多层复合电介质的研究进展 谢 兵1,蔡金峡1,王铜铜1,刘智勇1,姜胜林2,张海波3(1.南昌航空大学 材料科学与工程学院,南昌 330063;2.华中科技大学 光学与电子信息学院,武汉 430074;3.华中科技大学 材料科学与工程学院,武汉 430074)摘 要:薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件,受限于薄膜介质材料的介电常数偏低,当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度,即可释放电能密度),从而导致薄膜电容器体积偏大,应用成本过高。将具有高
4、击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合,制备聚合物/陶瓷复合电介质,是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的 0-3 型聚合物/陶瓷复合电介质,其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升,限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾,研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜,制备了 2-2 型多层复合电介质,能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明,调控多层复合电介质的介观结构与微观结构,可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调
5、控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制,并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。关 键 词:薄膜电容器;多层聚合物基复合电介质;介电常数;击穿场强;储能密度;综述 中图分类号:TQ174 文献标志码:A Research Progress of Polymer-based Multilayer Composite Dielectrics with High Energy Storage Density XIE Bing1,CAI Jinxia1,WANG Tongtong1,LIU Zhiyong1,JIANG Shenglin2,ZHANG Hai
6、bo3(1.School of Materials Science and Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China;2.School of Optics and Electronic Information,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;3.School of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technol
7、ogy,Wuhan 430074,China)Abstract:Film capacitors are the core electronic components of modern power devices and electronic equipment.However,due to the low dielectric constant,it is difficult to obtain high energy storage density(effective energy storage density or discharged energy density)for prese
8、nt film capacitors,leading to a large device size and high application cost.To improve the energy storage density of film capacitors,a nanocomposite approach is an effective strategy via combining high dielectric constant of the ceramic nanoparticles with high breakdown strength of the polymer matri
9、x.Nevertheless,for single-layer structure of 0-3 polymer/ceramic composites,the dielectric constant and 138 无 机 材 料 学 报 第 38 卷 breakdown strength are difficult to be effectively enhanced at the same time,which limits the further improvement of energy storage density.To solve this contradiction,resea
10、rchers have combined the composite film with high dielectric constant and high breakdown strength in a superposition to prepare 2-2 type multilayer composite dielectrics,which can achieve synergistic regulation of polarization strength and breakdown strength to obtain high energy storage density.The
11、 optimization of electric field distribution and the synergistic regulation of dielectric constant and breakdown strength can be achieved through mesoscopic and microstructural modulation of multilayer composite dielectrics.In this paper,the research progress of multilayer polymer-based composite di
12、electrics including ceramic/polymer multilayer structure and all-organic polymer multilayer structure in recent years is reviewed.Effect of multi-layer structure control strategy on the improvement of energy storage performance is emphasized.Moreover,enhancement mechanism of energy storage performan
13、ce of polymer-based multilayer structure composite dielectric is summarized.Finally,challenges and development directions of multilayer composite dielectrics are discussed.Key words:film capacitor;multilayer polymer-based composite dielectric;dielectric constant;breakdown strength;energy storage den
14、sity;review 储能材料及器件是当今最热门的研究方向之一,相对于锂离子电池和超级电容器等电化学储能器件,薄膜电容器具有更高的可释放电能密度,更高的操作电压,快速充放电以及长循环寿命,在受控核聚变、高功率微波武器、电磁弹射系统、民用电动汽车以及医疗电子等高功率脉冲技术领域有着重要的应用,近年来受到学术界和产业界的广泛关注1-5。受限于薄膜电介质材料的介电常数偏低,当前薄膜电容器难以实现高的储能密度,导致其存在体积偏大、应用成本过高等问题6。在军用领域,如我国的神光激光聚变大型科学装置需要使用大量体积庞大的介电储能电容器来存储大规模电能以实现相应的物理效应；在民用领域,如电动汽车逆变器系统
15、中使用的介电储能电容器占据了逆变器 35%以上的体积。双向拉伸的聚丙烯(BOPP)薄膜,是目前应用最好的商业化薄膜电容器电介质材料,但仅能释放出约 2 J/cm3的储能密度,无法满足当前军民领域对轻量化、小型化与集成化的高储能性能薄膜电容器的需求7-9。目前,解决上述问题的常规方法是将具有高击穿场强的铁电聚合物与高介电常数的陶瓷纳米粒子复合,制备柔性纳米复合电介质，这是因为单一的电介质材料已无法同时满足当前的应用需求。例如,钛酸钡(BT)10、钛酸锶钡(BST)11和锆钛酸铅(PZT)等系列具有高介电常数的陶瓷材料,虽然作为储能电介质材料颇受关注,但是其击穿场强偏低,有效储能密度只有 3 J/
16、cm3左右的量级12-14。另外陶瓷材料密度大,不具备柔性,制备工艺复杂,难以满足小型化、轻量化与高储能性能薄膜电介质的需求。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物 P(VDF-CTFE)、P(VDF-HFP)等铁电聚合物15,不仅具有高击穿场强、低介电损耗,还有良好的机械柔性,是储能介质材料研究的重要方向,但有限的介电常数仍然制约着其储能密度。另外,像介电常数(r)更小的聚酰亚胺(PI,r=2.7)16-17、聚丙烯(r=2.2)18、芳香族聚硫脲(ArPTU,r=4.4)19等线性介质材料,更难实现高储能密度。对于单层结构的 0-3 型聚合物基纳米复合材料,介电常数与击穿场强通常难以同时获得有效提升,这是因为提高介电常数需要添加高含量的陶瓷纳米填料,而在聚合物基体中添加高含量陶瓷纳米填料不可避免地会引入缺陷,增加团聚,产生孔洞,大幅降低材料的击穿场强,从而限制储能性能进一步提升20-21。另外,聚合物/陶瓷复合材料的聚合物基体与陶瓷填充物介电常数严重失配,外加高电场会导致基体与填充物界面处局域电场产生畸变,降低材料的击穿场强,从而不利于提升储能密度22。通过在高介电常数填料表面包覆低介电
