科研新成果
01 全球人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長加劇了與化石燃料廣泛使用有關(guān)的挑戰(zhàn),包括嚴(yán)重的環(huán)境退化和資源枯竭。因此,探索和開發(fā)替代能源和可再生能源變得至關(guān)重要。然而,有效地利用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用這些新能源現(xiàn)代電能存儲(chǔ)技術(shù)包括各種解決方案,包括電池、固體氧化物燃料電池(SOFCs)、飛輪、超導(dǎo)磁能量存儲(chǔ)(SMES)系統(tǒng)、電化學(xué)電容器(ECs)和介電電容器。Ragone圖通常用于對(duì)不同能量存儲(chǔ)裝置(ESDs)的能量和功率密度進(jìn)行基準(zhǔn)測試,突出了每種裝置的不同性能特征。值得注意的是,雖然SOFCs和電池依賴于化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行能量存儲(chǔ),但介電電容器通過置換束縛電荷來起作用,這些特性使介電電容器特別適合從間歇性可再生能源中捕獲能量,其應(yīng)用范圍涵蓋電力傳輸、電動(dòng)汽車、國防系統(tǒng)、微電子、微波通信和醫(yī)療制冷器。 介質(zhì)電容器中使用的固體介質(zhì)材料可大致分為兩大類:有機(jī)聚合物和無機(jī)陶瓷。陶瓷薄膜電容器因其緊湊的尺寸而受到重視,由于其高介電常數(shù)(εr),通常用于功率器件和微電子器件,從而實(shí)現(xiàn)更大的能量存儲(chǔ)容量。然而,它們相對(duì)較低的擊穿強(qiáng)度(Eb)和固有的脆性限制了提高其儲(chǔ)能性能的努力。相比之下,具有高Eb但較低εr的聚合物材料提供了明顯的優(yōu)勢,包括顯著的自修復(fù)性能、柔性和易于大規(guī)模制造。陶瓷填料與聚合物基質(zhì)相結(jié)合的復(fù)合材料在儲(chǔ)能密度方面優(yōu)于純聚合物和塊狀陶瓷,突出了它們?cè)谙乱淮娙萜鲬?yīng)用中的潛力。 本文首先介紹了儲(chǔ)能的基本原理,然后分析了微觀填料形態(tài)對(duì)宏觀性能的影響,并重點(diǎn)介紹了提高儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵策略,通過詳細(xì)的實(shí)例闡述了提高儲(chǔ)能性能的各種方法,并指出了聚合物復(fù)合材料未來的研究方向。 02 本綜述探討了介電聚合物復(fù)合材料的最新進(jìn)展,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了填料分散這一關(guān)鍵挑戰(zhàn),它直接影響到復(fù)合材料的均勻性和整體性能。我們根據(jù)尺寸、形狀和材料特性對(duì)納米填料進(jìn)行分類,并討論了表面改性策略以減少填料與基質(zhì)之間的介電失配。我們還探討了圍繞納米填料設(shè)計(jì)過渡層以改善填料與基質(zhì)之間的相互作用并增強(qiáng)介電性能。此外,還研究了多層薄膜的空間結(jié)構(gòu),展示了層的排列如何優(yōu)化電場分布和擊穿強(qiáng)度。最后,我們探討了開發(fā)用于電容器的高性能介電聚合物復(fù)合材料所面臨的重大挑戰(zhàn),并概述了未來的研究方向,以提高可恢復(fù)能量密度、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性,從而滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。這篇綜述為致力于推進(jìn)介電儲(chǔ)能材料發(fā)展的研究人員和工程師提供了寶貴的見解。 該工作以“Optimization strategies of filler morphology and spatial design in polymer nanocomposites for next-generation energy storage”為題發(fā)表于期刊Journal of Advanced Dielectrics上,杭州電子科技大學(xué)為本論文第一完成單位。杭州電子科技大學(xué)宋開新教授和哈爾濱工業(yè)大學(xué)王大偉教授為論文共同通訊作者。 |