作為電容儲(chǔ)能器件的核心組成部分，高能量密度電介質(zhì)材料在智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車和高能設(shè)備等先進(jìn)裝備領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值，而電介質(zhì)材料能量密度的進(jìn)一步提高是滿足先進(jìn)電力設(shè)備與電子器件小型化要求的關(guān)鍵要素。聚合物材料具有成本低、易加工、柔性好、耐受電壓高且功率密度高等優(yōu)點(diǎn),其中,鐵電聚合物由于具有已知聚合物中最高的介電常數(shù)(≥10)，成為最具潛力的電容器薄膜的替代材料。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合手段，將具有優(yōu)異性能的無(wú)機(jī)納米材料引入鐵電聚合物基體中從而大幅提高電容器薄膜的儲(chǔ)能特性引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系QingWang教授課題組與西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭宗仁教授課題組合作,系統(tǒng)地評(píng)述了鐵電聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)在高能量密度電容儲(chǔ)能領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。文章系統(tǒng)化地介紹了具有零維、一維和二維納米結(jié)構(gòu)填料，表面改性納米填料，定向和分層結(jié)構(gòu)納米填料以及多種納米填料共同摻雜的鐵電聚合物基納米電介質(zhì)的制備方法，對(duì)電容儲(chǔ)能薄膜中不同納米結(jié)構(gòu)對(duì)材料的介電常數(shù)與損耗、擊穿強(qiáng)度、儲(chǔ)能密度與效率等性能的綜合影響進(jìn)行了總結(jié)、分析與討論。

文章指出，鐵電聚合物儲(chǔ)能領(lǐng)域在過(guò)去幾年中取得了令人振奮的進(jìn)展，研究人員通過(guò)利用鐵電聚合物的固有優(yōu)點(diǎn)即較高的介電常數(shù)，結(jié)合各種創(chuàng)新方法，包括填料的表面功能化改性、引入寬帶隙納米填料和對(duì)鐵電聚合物基體進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)等，有效地抑制了鐵電聚合物復(fù)合電介質(zhì)的介電損耗。此外，文章著重介紹了將多種具有互補(bǔ)功能的納米填料引入到鐵電聚合物中的設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)具有層狀結(jié)構(gòu)鐵電聚合物復(fù)合納米電介質(zhì)薄膜的最新進(jìn)展。

文章同時(shí)指出，在電容薄膜儲(chǔ)能領(lǐng)域，仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。比如鐵電聚合物復(fù)合電介質(zhì)的充-放電效率需要進(jìn)一步提高，才能達(dá)到與目前商用電容器使用的雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜相當(dāng)?shù)乃?鐵電聚合物中電活性組分的界面耦合效應(yīng),以及在施加電場(chǎng)的條件下聚合物微結(jié)構(gòu)與其介電性能之間的關(guān)聯(lián)因素需要更深層次的理解;大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量的聚合物基納米復(fù)合薄膜制備的關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展。作為一個(gè)高度跨學(xué)科的領(lǐng)域，鐵電聚合物儲(chǔ)能領(lǐng)域進(jìn)展的關(guān)鍵取決于跨越傳統(tǒng)邊界的學(xué)科交叉與合作。

通過(guò)合成化學(xué)家、材料科學(xué)家、材料工程師以及電氣工程師的共同努力，鐵電聚合物基納米復(fù)合電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的快速發(fā)展計(jì)日可期。