高功率密度電容器被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、混合動力汽車和先進推進系統(tǒng)等領(lǐng)域，無機/有機復(fù)合電容器同時具有高擊穿電壓和高電位移備受人們關(guān)注。其中，無機材料的選擇對電容器性能影響尤為明顯，高縱橫比二維無機材料能減少填料團聚和阻礙導(dǎo)電通路形成，因而成為當下研究熱點之一。然而，微米級二維材料仍有很大幾率形成導(dǎo)電通路且晶體取向是隨機的。因此，如何制備大尺寸高性能無機二維材料，并實現(xiàn)與有機材料完美的結(jié)合，這是進一步提高電容器功率密度的有效辦法。

 

針對這一科學問題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院劉明教授團隊在前期發(fā)現(xiàn)(100)鈦酸鋇薄膜超柔性的基礎(chǔ)上深入研究不同取向自支撐二維鈦酸鋇薄膜的鐵電特性，并成功制備出2-2型毫米級(111)取向鈦酸鋇/聚偏氟乙烯(BTO/PVDF)介電儲能材料，實現(xiàn)了20.7 J/cm3的儲能密度，達到純PVDF材料的2.2倍，相場模擬顯示該性能的提高與BTO薄膜密切相關(guān)。這一設(shè)計制備技術(shù)具有很強普適性，為進一步提高復(fù)合材料介電儲能性能開辟了新途徑。

 

 

圖A為大尺寸高性能二維BTO制備示意圖；圖B為2-2型BTO/PVDF復(fù)合材料截面SEM及能譜圖；圖C為復(fù)合材料儲能密度和儲能效率圖；圖D為復(fù)合材料相場模擬擊穿圖。

 

該研究結(jié)果以“2-2型PVDF基復(fù)合材料中填充(111)取向外延BTO薄膜實現(xiàn)高儲能密度”(2-2 Type PVDF-based Composites Interlayered by Epitaxial (111)-Oriented BTO Films for High Energy Storage Density) 為題，在國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials) 上在線發(fā)表。該工作以西安交通大學為唯一作者單位，電信學部博士生王添為第一作者，劉明教授為通訊作者，論文作者還包括物理學院楊森教授等。這一工作是劉明教授課題組在《科學》(Science)、《科學進展》(Science Advances)、《先進材料》(Advanced Materials) 等期刊報道超柔性自支撐功能氧化物薄膜之后，圍繞自支撐鐵電氧化物薄膜的應(yīng)用，在介電儲能方面應(yīng)用的重要拓展，對未來柔性儲能提供了新思路。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。