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高储能Ba0.6Sr0.4TiO3纳米纤维网络/PVDF多层复合薄膜制备及性能研究

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摘要

近年来,伴随着全球对能源供应的日益增长的需求以及化石燃料的迅速消耗,柔性高储能密度复合薄膜因其超高的充放电速度在能量存储应用方面显示出巨大的潜力。研究表明,相较于填充纳米颗粒,纳米纤维填充的复合薄膜在介电与储能方面的性能更优秀。然而,较低的储能密度成为了限制复合薄膜发展的瓶颈。 本文以Ba0.6Sr0.4TiO3纳米纤维与P(VDF-HFP)作为主要实验材料,设计了独特的三明治复合结构与纤维网络结构。三明治夹层结构使质地易碎的陶瓷纳米纤维网络柔性化,能有效提高复合薄膜的机械强度及击穿强度。高长径比的纤维网络互连结构对于局部电场的分散使得复合薄膜能够承受更高的击穿强度进而拥有更优异的储能密度,同时也维持了较高能量转换效率。具体研究内容如下: 使用了适用于纳米纤维填充的Maxwell–Garnet模型,详细研究了纳米纤维不同状态下,填料长径比,所占体积分数等因素与复合薄膜的有效介电常数之间的关系。结果表明,增大填充纤维的含量有利于提高复合薄膜的介电常数;另一方面,对于在复合薄膜中取向随机分布的纳米纤维,增大纤维长径比有利于复合薄膜介电常数的提高;而当填充纤维垂直于电场方向时,纤维长径比对复合材料的有效介电常数影响有限。 采用静电纺丝以及剥离烧结等工艺组合制备了(长径比达到80)纳米纤维网络互连结构。采用了滴涂法工艺,制备出聚合物包覆纳米纤维网络的三明治结构复合薄膜。研究结果表明,介电常数达到了24.8,远高于纯P(VDF-HFP)薄膜10.4;同时,复合薄膜击穿强度达到3000kV/cm,储能密度达到9.46J/cm3(达到纯P(VDF-HFP)薄膜储能密度的两倍),储能效率达到66.8%。研究成果在解决高电介质常数和高击穿强度之间的矛盾中表现出了极大的优势,为纳米复合材料的设计和结构调整开辟了一条新途径。

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