摘要
随着化石能源的枯竭和能源需求的增加，开发新型可再生能源和新型储能设备迫在眉睫。目前，储能器件主要包括介电电容器、燃料电池、电池和超级电容器。其中，介电电容器由于其小于1μs的超快的充放电速率，高达108W/kg的大功率密度，可以广泛应用于地下油气勘探、动力武器、高频逆变器、医用除颤器、混合动力汽车和电动汽车等需要高功率密度的领域。研究表明可以将铁电陶瓷材料（具有大的介电常数）与聚合物材料（具有大的击穿场强）的优势结合制备出具有优异的储能性能的复合材料。然而铁电陶瓷材料的储能效率较低，不可避免的会降低复合材料的储能效率。无机填料与聚合物之间的介电性能差异较大会导致复合材料中局部电场分布不均匀，纳米颗粒在聚合物中的分散性差会出现微观结构缺陷（如孔隙或裂纹），这两者都不可避免地导致复合材料击穿场强的降低。因此迫切需要寻求一种有效的方法在保证储能效率较高的同时，获得储能密度较大的电介质材料。本文开展了以下三个工作来解决上述问题： 1.为了解决铁电填料复合材料所存在的问题，本论文通过溶胶法制备核壳结构Pb,La(Zr,Sn,Ti)O3（PLZST）@Al2O3纳米颗粒，将其作为填料加入聚偏氟乙烯-六氟丙烯（P(VDF-HFP)）聚合物基体中，为开发高储能密度和高效率介电纳米复合材料提供了一种有效且低成本的策略。引入具有大的最大电位移（Dmax）和小的剩余电位移（Dr）的PLZST反铁电纳米颗粒可以显著提高电介质纳米复合材料的Dmax-Dr值，细化D-E回线；添加宽带隙、介电常数接近P(VDF-HFP)基体的Al2O3壳层作为过渡层包覆在PLZST外层，可以阻止电极电荷注入，减小漏电流，提高击穿场强（Eb），并且通过有限元仿真证实了这一点。最终，填料含量为3wt.%的PLZST@Al2O3/P(VDF-HFP)纳米复合材料Dmax-Dr值达到7.93μC/cm2，Eb达到5281.68kV/cm，同时拥有17.95J/cm3的可释放储能密度（Ue）和75%的高储能效率（η），在整体电容性能上优于最新报道的纳米颗粒/聚合物纳米复合材料，甚至比用复杂方法制备纳米线或的纳米纤维的聚合物纳米复合材料高。 2.为了进一步提升纳米复合材料的Ue和η，在上一项工作的基础上引入线性PLZST@Al2O3/聚酰亚胺（PI）纳米复合材料作为耐击穿层，提供大的Eb与高的η，通过流延法设计并制备了PLZST@Al2O3/PI-PLZST@Al2O3/P(VDF-HFP)双层纳米复合材料，研究结果表明当上下两层纳米复合材料的填料含量为3wt.%时，双层纳米复合材料储能性能最佳，Eb高达5734kV/cm，Dmax-Dr为8.2μC/cm2，因此Ue达到非常理想的数值为21.89J/cm3，并且保持了高的η（78.2%）。有限元仿真表明，由于两种材料介电常数差异较大，电场会进行重新分配，双层纳米复合材料之间的界面抑制了电树枝的生长，从而显著增强了Eb，该工作为制备储能性能良好的介电电容器提供了新方法。 3.为了保护环境，有利于人体健康，将含铅的PLZST填料更换为Dr同样接近零、Dmax较大的无铅AgNbO3（AN）反铁电纳米颗粒，将其加入P(VDF-HFP)聚合物中，减小纳米复合材料的Dr并提高纳米复合材料的Dmax。此外，通过添加低介电常数、高η的线性PI层，设计并制备了PI-AN/P(VDF-HFP)双层纳米复合材料，界面极化效应使该复合材料拥有良好的储能性能。最终PI-5wt.%AN/P(VDF-HFP)双层纳米复合材料的Eb达到4504kV/cm，Dmax-Dr值达到6.52μC/cm2，介电损耗仅为0.01，同时Ue和η也很理想，分别达到13.77J/cm3和86.87%，在整体储能性能方面优于最近报道的介电纳米复合材料。有限元仿真表明，PI层的引入导致外加电场的再分布，抑制了PI层和AN/P(VDF-HFP)层界面处电树枝的生长，从而显著增强了Eb。本工作打破了在一种纳米复合材料中无法同时实现大Ue和η的现象，为开发适用于现代脉冲电力系统的环保介电电容器提供了思路。
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