高功率密度電容器被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、混合動(dòng)力汽車和先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域，無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合電容器同時(shí)具有高擊穿電壓和高電位移備受人們關(guān)注。其中，無(wú)機(jī)材料的選擇對(duì)電容器性能影響尤為明顯，高縱橫比二維無(wú)機(jī)材料能減少填料團(tuán)聚和阻礙導(dǎo)電通路形成，因而成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)之一。然而，微米級(jí)二維材料仍有很大幾率形成導(dǎo)電通路且晶體取向是隨機(jī)的。因此，如何制備大尺寸高性能無(wú)機(jī)二維材料，并實(shí)現(xiàn)與有機(jī)材料完美的結(jié)合，這是進(jìn)一步提高電容器功率密度的有效辦法。

 

針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授團(tuán)隊(duì)在前期發(fā)現(xiàn)(100)鈦酸鋇薄膜超柔性的基礎(chǔ)上深入研究不同取向自支撐二維鈦酸鋇薄膜的鐵電特性，并成功制備出2-2型毫米級(jí)(111)取向鈦酸鋇/聚偏氟乙烯(BTO/PVDF)介電儲(chǔ)能材料，實(shí)現(xiàn)了20.7 J/cm3的儲(chǔ)能密度，達(dá)到純PVDF材料的2.2倍，相場(chǎng)模擬顯示該性能的提高與BTO薄膜密切相關(guān)。這一設(shè)計(jì)制備技術(shù)具有很強(qiáng)普適性，為進(jìn)一步提高復(fù)合材料介電儲(chǔ)能性能開(kāi)辟了新途徑。

 

 

圖A為大尺寸高性能二維BTO制備示意圖；圖B為2-2型BTO/PVDF復(fù)合材料截面SEM及能譜圖；圖C為復(fù)合材料儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率圖；圖D為復(fù)合材料相場(chǎng)模擬擊穿圖。

 

該研究結(jié)果以“2-2型PVDF基復(fù)合材料中填充(111)取向外延BTO薄膜實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能密度”(2-2 Type PVDF-based Composites Interlayered by Epitaxial (111)-Oriented BTO Films for High Energy Storage Density) 為題，在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials) 上在線發(fā)表。該工作以西安交通大學(xué)為唯一作者單位，電信學(xué)部博士生王添為第一作者，劉明教授為通訊作者，論文作者還包括物理學(xué)院楊森教授等。這一工作是劉明教授課題組在《科學(xué)》(Science)、《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials) 等期刊報(bào)道超柔性自支撐功能氧化物薄膜之后，圍繞自支撐鐵電氧化物薄膜的應(yīng)用，在介電儲(chǔ)能方面應(yīng)用的重要拓展，對(duì)未來(lái)柔性儲(chǔ)能提供了新思路。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。