同济大学杨同青AFM: 界面分子协同作用：双层聚合物电介质中超高效储能的新途径

文章总结

在已知的聚合物中，聚偏二氟乙烯（PVDF）基铁电聚合物具有最高的介电常数，是用于高能量密度电容器应用的最具前景的一类介电材料。然而，其储能能力一直受到高传导损耗和相对较低的介电强度的限制。在此，提出了一种新颖的界面分子协同策略来提升聚偏二氟乙烯基双层薄膜的储能性能，从而使杨氏模量和放电储能效率（η）得到显著改善。这种显著的提升归因于通过多位点分子协同作用，在刚性聚合物与聚偏二氟乙烯基基体之间形成了致密的界面分子缠结，这有效地减轻了界面失配并降低了传导损耗。此外，氰基的高极性和大偶极矩增强了界面处的分子缠结，进一步限制了电荷迁移并捕获电荷载流子以抑制电荷注入。因此，该双层薄膜同时展现出了最高的放电能量密度（Ud≈13.87 焦耳 / 立方厘米）、出色的储能效率（η≈97.2%）以及超高的击穿场强（Eb≈767.1 兆伏 / 米）。这项工作为推动高性能聚合物电介质的工业化生产提供了有价值的见解。

图文简介

a) 双层薄膜中界面分子协同作用的示意图。b) 刚性聚合物的化学结构示意图以及界面处的分子缠结示意图。

a) 少层氮化硼（L-BN）的扫描电子显微镜（SEM）图像，b) 少层氮化硼（L-BN）的透射电子显微镜（TEM）图像，c) 少层氮化硼（L-BN）的选区电子衍射图谱。d) 少层氮化硼（L-BN）的高分辨透射电子显微镜图像。e) 聚甲基丙烯酸丁酯（PMB）和 PMB8 薄膜的 X 射线衍射（XRD）图谱。f) 不同少层氮化硼（L-BN）含量的聚甲基丙烯酸丁酯（PMB）复合薄膜的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）图谱。

a) 双层薄膜的介电常数和介电损耗。b) 漏电流密度，c) 电阻率，d) 威布尔分布，以及 e) 在不同电场下，聚偏二氟乙烯（PVDF）、PMB8 薄膜和双层薄膜的放电能量密度（Ud）和储能效率（η）。f–h) 不同电场下双层薄膜的放电能量密度（Ud）和储能效率（η）的对比。i) 双层薄膜相较于纯聚偏二氟乙烯（PVDF）的放电能量密度（Ud）和储能效率（η）的提升比例。

a) 纳米压痕的载荷 - 位移情况，以及 b) 纯聚偏二氟乙烯（PVDF）、PMB8 薄膜和 SAN1.5 双层薄膜的表面杨氏模量与硬度。c) 纯 SAN 薄膜和 SAN 双层薄膜在击穿场强（Eb）下的最大放电能量密度（Ud）和储能效率（η）。d) 纯聚偏二氟乙烯（PVDF）、PMB8 薄膜和 SAN1.5 双层薄膜在击穿场强（Eb）下的放电能量密度（Ud）和储能效率（η）的对比。e) 与先前报道的聚偏二氟乙烯（PVDF）基纳米复合材料在击穿场强（Eb）下的储能效率（η）的对比。f) SAN1.5 双层薄膜与其他已报道的聚合物基纳米复合材料在储能效率（η）超过 95% 时的放电能量密度（Ud）的对比。

论文信息

通讯作者：Tongqing Yang

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