新型储能材料

  与超级电容器和锂离子电池相比，介质电容器拥有超高的可释放功率密度，极快的充放电速率以及长的循环寿命，是重要的新型功率储能器件，在新能源汽车、智能电网以及脉冲功率系统等领域有巨大的应用潜力与商业化前景。为了应对日益加剧的环境和能源问题，PULOM公司与华中科技大学共同研究下一代高能量密度且可高温应用的介电储能材料和器件，包括氧化物纳米纤维填充聚合物复合介电材料和陶瓷基介质材料。针对可高温应用且兼具高储能密度的聚合物介质材料，项目将采用逐层浇注的流延方式，以低介电常数、耐高温的 PEI 为上下层，高介电常数的氧化物纳米纤维填充的铁电层P(VDF-TrFE)为中间层获取可大面积制备的三明治结构介质材料。针对陶瓷基介质材料，项目将在弛豫型无铅介电基体中加入反铁电颗粒，制备复合陶瓷材料，通过成分和介电系数的非均匀性构建局域电场，实现获得高饱和极化所需的外加电场减小的目的。有望在反铁电-弛豫复合陶瓷的场致相变、介电击穿、界面极化和电导机理，以及可高温应用的陶瓷基介电储能材料和器件的应用方面做出一系列新颖而有意义的研究。

  基于相场模拟结果，低介电常数的线性 PEI 层可以获得大幅度提高的局域电场，从而提高材料的整体抗击穿性；而高介电的氧化物纳米纤维填充的铁电层 P(VDF-TrFE)可以用来提高材料的介电常数。以相场模拟为理论指导，通过调节不同铁电层与线性层的厚度，实现对材料内局域电场分布的调控，获取最高击穿电场，从而获取高储能密度。同时，由于铁电层与线性层介电常数的巨大差异，在材料的层界面可以诱导出大的界面极化，从而提高复合材料电位移。通过优化化学气相沉积工艺，在多层介质膜的 PEI 表面实现不同纳米厚度的 Al2O3高绝缘层的低温制备，用来提高金属电极与聚合物介质界面处的电荷注入势垒，进而起到抑制聚合物介质膜在高温高电场下的漏导电流作用，从而实现高温高电场下储能性能大幅增强。以过多年的研究试制PULOM成功设计并开发了以层间界面极化为主要极化机制的铁电/线性双层异质结构：BT/P(VDF-CTFE)-PI，以多步热处理工艺制备的纯 PI 为线性层，高含量（20 vol.%）钛酸钡纳米颗粒填充的 P(VDF-CTFE)为铁电层构筑双层结构。低介电常数的线性 PI 层可获得大幅度提高的局域电场，提高整体抗击穿性；而且由于铁电层与线性层介电常数的巨大差异，在层界面诱导出大的界面极化，从而提高复合材料电位移。整体击穿场强与电位移的同时提升，有助于储能密度的大幅提高。获得了 14.2 J/cm3的高储能密度，从解决激光电磁武器储能器件储能密度小，体积大的卡脖子问题。此项技术已获得发明专利。