哈工大常云飞教授、王大伟教授课题组在介电储能复合材料研究领域取得重要进展

哈工大全媒体（刘培香 张德龙/文 张德龙/图）近日，我校仪器科学与工程学院和郑州研究院常云飞教授、王大伟教授课题组提出一种在基体中引入二维铋层状铁电微晶以及构建复合物双层结构的协同设计方法，突破了聚合物基介电材料在储能性能提升方面的限制。相关研究成果以《通过引入二维铁电微晶实现聚合物基双层复合材料的高储能性能》（Superior energy storage capacity of polymer-based bilayer composites by introducing 2D ferroelectric micro-sheets）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

聚合物基介质电容器具有充放电速率快、功率密度高、柔性好、可以自愈等优点，在储能器件和先进电子电力系统中发挥着至关重要的作用。然而，聚合物基介电材料存在击穿场强不高、介电常数较低以及电迟滞高的问题，难以同时获得大幅度提升的储能密度和储能效率，阻碍了相关器件和系统向高性能化、微型化及轻量化方向的发展。 

通过在基体中引入二维铁电微晶和构建双层结构来实现聚合物基复合材料的高储能性能 

针对此现状，常云飞教授、王大伟教授课题组提出了在聚合物基体中引入二维铋层状铁电Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅（NBT）片状微晶以及构建复合物双层结构的设计思路（图d），协同利用引入NBT微晶所产生的电势垒效应和构建双层结构所产生的界面效应（图a-c），有效地抑制了电荷在聚合物层内和层间的传输，大幅度提高了击穿场强，同时也提高了聚合物的介电常数，增强了其极化能力。基于此研制的双层聚合物基复合材料NBT-PEI/NBT-P（VDF-HFP）具有大幅度提升的储能密度（U_dis~25.0 J/cm³），并兼顾较高的储能效率（η~81.2%）。该工作可为未来研发高性能聚合物基电介质提供重要指导，并为先进储能器件和系统应用提供了一种高性能聚合物基储能材料。

我校仪器科学与工程学院为论文第一完成单位，常云飞教授、王大伟教授以及湖北大学张清风教授为论文共同通讯作者。仪器科学与工程学院博士研究生范镇豪为论文第一作者，博士研究生戴剑、谢航、岳文峰等参与相关研究工作。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55112-1