中国海洋大学《AFM》：一种独特设计！兼具高效率和高能量密度

聚合物介电材料因其在先进储能电容器方面的巨大潜力，在世界范围内引起了广泛的关注。到目前为止，人们已经开发出各种有效的策略来改善聚合物介质固有的低能量密度。然而，能量密度的提高往往伴随着放电效率的降低，这对实际应用是不利的，因此值得关注。

为了同时实现高能量密度和高放电效率，来自中国海洋大学等单位的研究人员，报道了由线性介电层和非线性介电层组成的过渡层的独特设计。结果表明，非线性介质层具有较高的能量密度，而线性介质层具有较高的放电效率。尤其是过渡层可以使电场分布更加均匀，从而大大提高击穿强度和能量密度。特别是同时获得了89.9%的高效率和12.15 J cm⁻³的高能量密度。非对称三层全聚合物设计策略代表了实现高性能介质储能材料的新途径。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202100280

图1.a)非对称LTN结构的介电储能特性示意图。b)单层和三层复合材料的制备工艺。

图2. 30vol%PEI/P(VDF-HFP)单层薄膜的PFM结果

图3.a，c)损耗角正切和b，d)纯PEI，纯P(VDF-HFP)，PEI-P(VDF-HFP)双层复合材料(E-F)，以及含有不同含量的PEI的非对称三层复合材料的介电常数

图4.a)双参数威布尔分布图，b)导出击穿强度示意图

图5.a）纯PEI、纯P（VDF-HFP）、PEI-P（VDF-HFP）双层复合材料和不对称三层复合材料在不同电场下的储能密度U_s，b，d）放电能量密度U_d和c，e）效率η。

图6. a）传导损耗，b）铁电损耗，以及c）不同电场下纯PEI、纯P（VDF-HFP）和三层复合材料的泄漏电流密度。

综上所述，本文提出了一种独特的非对称LTN结构三层全聚合物复合材料，它由过渡层T层和非线性介质N层组成，而过渡层由线性介电L层和非线性介电N层组成。结果表明，N层和L层分别具有较高的能量密度和较高的放电效率，可获得平衡的高能量密度和较高的放电效率。特别地，T层可以使复合材料内部的电场分布更加均匀，从而显著提高击穿强度。此外，相邻层之间的宏观界面和T层内部微观界面的界面极化也有助于进一步提高能量密度。结果表明，在优化后的结构中，同时获得了12.15 J cm^-3的高能量密度和89.9%的高效率。这一简单易行的设计策略将对探索高性能介质储能材料具有重要意义。（文：SSC）