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下一代储能聚合物纳米复合材料中填料形态和空间设计的优化策略

文章来源：新能源网更新时间：2025-06-26 16:01:56

科研新成果

研究背景

全球人口和经济的快速增长加剧了与化石燃料广泛使用有关的挑战，包括严重的环境退化和资源枯竭。因此，探索和开发替代能源和可再生能源变得至关重要。然而，有效地利用、储存、运输和利用这些新能源现代电能存储技术包括各种解决方案，包括电池、固体氧化物燃料电池（SOFCs）、飞轮、超导磁能量存储（SMES）系统、电化学电容器（ECs）和介电电容器。Ragone图通常用于对不同能量存储装置（ESDs）的能量和功率密度进行基准测试，突出了每种装置的不同性能特征。值得注意的是，虽然SOFCs和电池依赖于化学反应来进行能量存储，但介电电容器通过置换束缚电荷来起作用，这些特性使介电电容器特别适合从间歇性可再生能源中捕获能量，其应用范围涵盖电力传输、电动汽车、国防系统、微电子、微波通信和医疗制冷器。

介质电容器中使用的固体介质材料可大致分为两大类：有机聚合物和无机陶瓷。陶瓷薄膜电容器因其紧凑的尺寸而受到重视，由于其高介电常数（ε_r），通常用于功率器件和微电子器件，从而实现更大的能量存储容量。然而，它们相对较低的击穿强度（E_b）和固有的脆性限制了提高其储能性能的努力。相比之下，具有高Eb但较低εr的聚合物材料提供了明显的优势，包括显著的自修复性能、柔性和易于大规模制造。陶瓷填料与聚合物基质相结合的复合材料在储能密度方面优于纯聚合物和块状陶瓷，突出了它们在下一代电容器应用中的潜力。

本文首先介绍了储能的基本原理，然后分析了微观填料形态对宏观性能的影响，并重点介绍了提高储能性能的关键策略，通过详细的实例阐述了提高储能性能的各种方法，并指出了聚合物复合材料未来的研究方向。

论文摘要

本综述探讨了介电聚合物复合材料的最新进展，重点强调了填料分散这一关键挑战，它直接影响到复合材料的均匀性和整体性能。我们根据尺寸、形状和材料特性对纳米填料进行分类，并讨论了表面改性策略以减少填料与基质之间的介电失配。我们还探讨了围绕纳米填料设计过渡层以改善填料与基质之间的相互作用并增强介电性能。此外，还研究了多层薄膜的空间结构，展示了层的排列如何优化电场分布和击穿强度。最后，我们探讨了开发用于电容器的高性能介电聚合物复合材料所面临的重大挑战，并概述了未来的研究方向，以提高可恢复能量密度、稳定性和可扩展性，从而满足商业应用的需求。这篇综述为致力于推进介电储能材料发展的研究人员和工程师提供了宝贵的见解。

该工作以“Optimization strategies of filler morphology and spatial design in polymer nanocomposites for next-generation energy storage”为题发表于期刊Journal of Advanced Dielectrics上，杭州电子科技大学为本论文第一完成单位。杭州电子科技大学宋开新教授和哈尔滨工业大学王大伟教授为论文共同通讯作者。

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