康涅狄格大學Dr. Yang Cao團隊：二維MMT優化層狀復合材料界面，應用于高溫介電儲能

1. 簡介

介電聚合物復合材料具有超高的功率密度和超快的充放電速率，是構成介電電容的重要組成材料，可被用于可再生能源的轉換與存儲、脈沖功率器件、電動汽車等前沿領域。然而，在高溫/高電場工作條件下，聚合物的高能量損耗成為了限制其發展的主要瓶頸。

近日，康涅狄格大學的Dr.?Yang Cao課題組通過在層狀復合材料鈦酸鋇/聚酰胺酰亞胺（BT/PAI）的界面處引入二維（2D）蒙脫土（MMT）納米片的方法，實現了對其高溫能量損耗的有效抑制。MMT具有電導各向異性的特性，在z軸方向具有較大的禁帶寬度而在沿面方向卻有較高的電導率。當MMT在層狀材料界面處定向排列時，這一特性會一方面阻礙自由電荷穿過界面，同時誘導電荷延界面延展方向耗散。引入MMT后的層狀復合材料在150°C、400 MV/m下工作時，接近50%的能量損耗可以被抑制，從而大幅提高了充放電效率和放電能量密度。

該工作以“High-temperature dielectric polymer nanocomposites with interposed montmorillonite nanosheets”為題發表在Chemical?Engineering Journal上，Dr.?Yifei Wang（王軼飛博士）為第一作者，Dr.?Yang Cao為通訊作者。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472032221X

2. 圖文

Fig. 1. MMT增強層狀復合材料的 (a) 制備示意圖、?(b) SEM、(c) EDAX以及?(d) 實物照片.

Fig. 2. 有/無MMT層狀復合材料對比.?(a) 介電常數、?(b) 介電損耗、(c) 電滯回線以及?(d) 最大極化與剩余極化差值.

Fig. 3. 高溫介電特性.?(a) 介電常數、?(b) 介電損耗、(c) 能量損耗、(d)充放電效率以及?(e) 放電能量密度.?(f) MMT界面增強復合材料與現有高溫介電聚合物及復合材料的性能對比.

Fig. 4.?有限元仿真 (a) 電場分布、(b) 電荷密度以及 (c) 漏電流密度.?(d) 150°C下的高場電導對比.

Fig. 5.?有限元仿真有/無MMT層狀復合材料電荷運動軌跡對比.

Fig. 6. 不同組分復合材料的?(a)能量損耗以及(d)充放電效率對比.

3. 小結

本文提出了一種通過界面工程有效提高聚合物復合材料高溫儲能特性的方法，易于被推廣到其他介電材料的優化中。該工作不僅在開發新材料方面提出了新的思路，并且也激發了對于介電復合材料中界面效應的深入思考。

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