近日，我校電子信息學(xué)院智能傳感器和微系統(tǒng)教育部工程中心王高峰教授團(tuán)隊(duì)研究生朱成龍以第一作者第一單位在Chemical Engineering Journal(影響因子：13.273)上發(fā)表題為“Enhanced energy storage performance of polymer nanocomposites using hybrid 2D ZnO@MoS2 semiconductive nano-fillers.”的研究論文。我校電子信息學(xué)院研究生周炳、汶飛副教授、李麗麗副教授、吳薇教授、王高峰教授、MIT張麟研究員和伍倫貢大學(xué)韓朝、李維杰、岳增記、張樹(shù)君為共同作者。其中，汶飛副教授和朱成龍為共同第一作者，我校李麗麗副教授、張麟研究員和張樹(shù)君教授為共同通訊作者。
作為電力、電氣及電子信息系統(tǒng)中最重要的電子元器件之一，薄膜電容器被廣泛應(yīng)用于電路中實(shí)現(xiàn)隔直通交、耦合、旁路、濾波、能量轉(zhuǎn)換及控制等功能。與電池、電化學(xué)電容器等相比，薄膜電容器具有使用電場(chǎng)強(qiáng)度高、電能釋放速度快、功率密度高等特點(diǎn)，尤其適用于需要在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量電能的放電電容器。高溫薄膜電容器已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如混合動(dòng)力汽車，智能電網(wǎng)和脈沖電源中的儲(chǔ)能組件。
圖1 薄膜電容器的應(yīng)用
雙軸取向聚丙烯(BOPP)是薄膜電容器中最常用的商用聚合物，由其制成的薄膜電容器具有高能量效率，但是，較低的介電常數(shù)使其儲(chǔ)能密度相對(duì)較低，已經(jīng)難以滿足這些系統(tǒng)對(duì)高能量密度的需求。近年來(lái)，科學(xué)家通過(guò)改性極性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,將PVDF基聚合物的儲(chǔ)能密度提高到17 J/cm3。而在實(shí)際應(yīng)用中，從功耗和安全的角度考慮，薄膜電容器不僅需要具備優(yōu)越的電性能，還要求電介質(zhì)材料可以在低電場(chǎng)下獲得較高的儲(chǔ)能密度和效率。
該項(xiàng)工作以雜化二維半導(dǎo)體納米填料(ZnO@MoS2)作為研究對(duì)象，研究MoS2在復(fù)合填料中的含量對(duì)儲(chǔ)能性能的影響。二維材料在擊穿過(guò)程中可以作為導(dǎo)電屏障，限制電荷的遷移，阻礙電樹(shù)枝化的擴(kuò)展，特別是二維半導(dǎo)體材料(MoS2)還具有明顯的帶隙和電場(chǎng)可調(diào)的介電常數(shù)。因此，通過(guò)超聲混合法制備了不同比例的ZnO@MoS2納米填料。研究發(fā)現(xiàn)，雜化填料可以有效地改善材料的介電性能、擊穿電場(chǎng)和儲(chǔ)能性能，同時(shí)指出少量添加物不容易影響材料的擊穿電場(chǎng)等性能，但能有效改善復(fù)合材料的介電性能和極化性能。此外，相比于簡(jiǎn)單物理混合填料(ZnO-MoS2)，雜化填料(ZnO@MoS2)不僅可以在保持相近低損耗的情況下提高介電常數(shù)，還可以降低導(dǎo)電溝道擊穿的可能性。
圖2 ZnO@MoS2復(fù)合薄膜制備流程圖
圖3 ZnO@MoS2復(fù)合薄膜實(shí)物圖和SEM圖像
本文通過(guò)溶液澆鑄法制備了不同填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P/ZnO@MoS2復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料中MoS2含量小于2 wt.%時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降很少；高于2 wt.%時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于純基體的70%，表明只有MoS2含量(2 wt.%)適量時(shí)，形成的ZnO@MoS2雜化結(jié)構(gòu)可以有效地抑制載流子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)降低交流電導(dǎo)率以維持較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。通過(guò)P-E loop和儲(chǔ)能測(cè)試，2 wt.% P/ZnO@MoS2復(fù)合薄膜在300 MV/m下具有7.2 J/cm3的高能量密度，比純PVDF聚合物的儲(chǔ)能密度高70%，并且其效率高達(dá)83%，使這種納米復(fù)合材料有望成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的候選材料。
該研究工作受浙江省科技廳的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和自然科學(xué)基金的支持。
圖4 室溫下2 wt% P/ZnO@MoS2樣品和所選材料在300 MV/m下的儲(chǔ)能性能
