近日，材料科學與工程學院楊海波教授團隊，在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上發(fā)表了題為“Superior Energy Storage Performance Induced by Cross-Scale Electric Field Modulation Utilizing Hybrid Hierarchical Micro–Nano Fillers in PEI-based Composites”的研究論文。我校楊海波教授、林營教授、袁啟斌副教授和南京航空航天大學王婧教授為文章共同通訊作者，材料學院博士生黨禎兒和西安交通大學王軼飛副教授為文章共同第一作者，陜西科技大學為第一通訊單位。
聚合物基復合材料因其優(yōu)異的柔韌性、高擊穿場強、輕質量、低成本等優(yōu)點，在脈沖電源系統(tǒng)及電子設備中具有廣闊的應用前景。然而，在高溫或強電場等極端環(huán)境下，聚合物基復合材料常面臨絕緣性能下降、儲能效率降低等嚴峻挑戰(zhàn)，極大限制了其實際應用。針對該問題，陜西科技大學楊海波教授團隊創(chuàng)新構建了一種基于多級尺寸填料誘導的跨尺度電場調制效應，實現(xiàn)復合材料在寬溫域范圍內儲能密度與儲能效率的協(xié)同提升。
研究團隊選擇具有高絕緣性和優(yōu)異熱穩(wěn)定性的PEI作為基體進行多層結構進行創(chuàng)新設計：外層為氮化硼納米片（BNNSs）/聚醚酰亞胺（PEI）復合層，中間層為混合分級鈦酸鋇（BT）微納米顆粒/PEI復合層，BT微納米顆粒的粒徑分別為0.5 μm和100 nm。中間層的多級BT微納米顆粒有效提高了介電常數(shù)，同時其構建的跨尺度局部弱電場不僅有效阻斷和耗散擊穿路徑，而且抑制由絕緣退化引起的焦耳熱積累；外層BNNSs利用自身高絕緣性和所構建的橫向局部弱電場對擊穿路徑產(chǎn)生二次阻斷作用的同時，且由于其優(yōu)良導熱性實現(xiàn)對焦耳熱的進一步耗散。基于該結構所構建的跨尺度電場調制效應，三明治結構PEI基復合材料在620 MV·m-1下獲得了21.80 J·cm-3的優(yōu)異儲能密度和96.89%的超高儲能效率，遠超過其他聚合物基復合材料。值得注意的是，該復合材料還具有良好的高溫儲能性能，在150 ℃和565 MV·m-1下，其儲能密度為11.98 J·cm-3，儲能效率為87.10%。因此，這種跨尺度電場調控策略為未來高性能聚合物儲能材料的研究與開發(fā)提供了新途徑。
圖1 三明治結構PEI基復合材料的a) 設計思路圖，b) 斷面SEM圖和c) 中間層局部放大SEM圖；d-g) BT微納米顆粒在PEI基體內的KPFM圖
圖2 2.5-2.5復合材料的a) 空間電荷分布和b) 電場分布
圖3 三明治結構PEI基復合材料的電樹枝動態(tài)演化模擬圖
圖4 a) 2.5-2.5復合材料介電性能與溫度的關系；三明治結構PEI基復合材料150 ℃下的b) 威布爾分布和c) 儲能性能；d) 2.5-2.5復合材料儲能性能和溫度的關系
圖5 a1-a3) PEI基復合材料中間層的二維溫度分布模擬；b1-b4) PEI基復合材料繞卷電容器后內部溫度分布模擬；c) 2.5-2.5復合材料的三維溫度分布模擬
原文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202502204
（核稿：伍媛婷 編輯：趙誠）
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