《Nano Energy》报道高储能密度全聚合物储能电容器

聚合物薄膜储能电容器因其具有较高功率密度和超长的循环使用寿命，能最大效率转化风能、潮汐能等间歇性可再生能源，是脉冲功率技术、电磁炮及激光等高能武器系统无可替代的核心储能器件，在航空航天、混合动力汽车等领域也得到了广泛的应用。但由于大多数聚合物的介电常数较低、极化强度低等问题，限制了其储存电能的能力。长期以来，国内外学者主要通过纳米掺杂来提升薄膜的电介质储能性能，但高体积分数纳米填料的引入却会增大材料的能量损耗，尤其在高电场作用下，会导致聚合物电介质内部漏电流呈指数上升趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足工业应用需求。更严重的是，漏电流转变成焦耳热，使储能电容器温度持续上升进而失效。因此，如何开发具有高储能密度、高储能效率且可靠性良好的聚合物储能电容器已经成为一个目前亟需攻克的研究难点。

三明治结构电容器聚合物电介质薄膜的工艺方法示意图

为解决上述问题，汪宏教授课题组采用溶液法多层流延技术开发设计出一种兼具高储能密度、高储能效率与优异稳定性的三明治结构全聚合物电介质储能材料。不同于传统的复合电介质材料，该工作在铁电聚合物中引入低介电常数聚合物层，形成三层构型。系统研究了通过调控构成聚合物层比率在介电性能、宏观极化、储能以及快速充放电等方面的影响，通过与其他不同构型薄膜电学性能比较，三层结构薄膜更加有效地降低介电损失和抑制在高场下的漏电流密度（降低超过一个数量级），从而大幅提高了聚合物电介质薄膜在高电场下的储能特性。最终，汪宏教授课题组在三明治结构全聚合物电介质材料中获得了20.3J×cm-3的储能密度与84%的储能效率，这是目前报道的聚合物电介质材料中最优的综合储能性能。同时，该材料具有良好的机械耐疲劳性。这项工作表明了三明治结构铁电聚合物在电能存储应用方面的巨大潜力。

不同构型电介质薄膜储能特性与代表性电介质薄膜储能特性比较和机械弯曲耐疲劳性

近年来，汪宏教授专注于先进电介质材料的基础研究，在电介质储能材料等领域取得了多项创新性研究成果。相关工作发表在《先进材料》（Advanced Materials, 27(42):6657-63, 2015）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, 27(20): 1606292, 2017）、《纳米能源》（Nano Energy 44(2018) 364-370; Nano Energy 52 (2018) 203-210）、《材料化学杂志A》（J. Mater. Chem. A, 2017, 5,4710; J. Mater. Chem. A, 2017, 5,10849）等期刊上。

该论文第一作者为西安交通大学电信学院博士生陈杰，通讯作者为南方科技大学材料系汪宏教授，合作者还包括美国宾州州立大学王庆教授。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目、国家“973”项目、国家重点研发项目等的支持。