电介质能量存储与转换

介电材料的静电电容器是一种容纳电荷、存储电能的器件，广泛应用于电路中的隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐、控制等方面，并由于其具有极高的功率密度（10⁴~10⁸ W/kg）而被广泛应用于脉冲功率装置（如医疗除颤器、工业激光器）中，尤其是随着新能源的发展，在光伏/风力发电机并网、新能源电动汽车等领域得到了广泛的应用。但是，相比于其它电能存储与转换材料（如电化学电容器、燃料电池），电介质储能密度较低，很多应用场景下需要构筑体积笨重的电容器以获得足够的电容量。因此，迫切需要研发具有高储能密度、高效率的电介质储能材料。

本研究室重点关注有机聚合物和无机陶瓷介电材料这两类重要的电容器电介质材料。它们表现出不同的优缺点。柔性的聚合物介电材料成本低、易加工、耐高电压，但是介电常数低、热稳定性差；而无机陶瓷电容器有较高的使用温度、介电常数较大，但是击穿强度较低。

1、主要研究内容：

1）聚合物基介电储能材料：通过流延、热压等方法制备聚合物基电介质薄膜材料，利用有机-无机纳米复合、分层界面设计、聚合物分子结构设计及化学改性等策略，探索偶极子活性、电击穿行为、电导及力学等性能的调控原理，优化介电常数、击穿强度、绝缘等特性，探索实现常温能量密度优于商用电化学电容器的电介质材料；结合新型耐高温聚合物的设计、高热导材料对热稳定性的优化等方法，探索实现高温>150 ℃下性能优于商用BOPP室温性能的可扩展、可小型化高温聚合物基电介质材料。

2）无机电介质材料介电储能：基于脉冲通电加压烧结、脉冲激光沉积等方法分别制备无机陶瓷块体及薄膜电介质材料，基于界面、成分、电畴形态、微结构等对顺电、铁电、反铁电及其共存下的电极化特性（极化强度、操作电压、廻滞大小、重复性、稳定性等）的调控，优化实现耐击穿、高介电、高效率、长寿命的高储能密度无机电介质材料。

2、已取得的研究进展包括：

1）聚合物基介电储能：

①通过控制热化学反应动力学过程并掺入少量高热导率的氮化硼纳米片，获得高性能、耐高温PI-PAA基复合材料，在高温电容器实际工作条件（150 °C, 200 MV/m）下，储能密度达到~1.38 J/cm³（商用BOPP室温性能的3.5倍），效率高于96%，且在经历20000次循环充放电测试以及35天高温耐受性测试后储能性能没有下降。

②提出了一种普适的可行策略提高有机复合材料介电性能，即利用带负电无机填料的局域反向电场抑制二次碰撞电子的产生，从而阻碍击穿相的形成发展，进而提升击穿场强和储能密度。基于此，制备出掺入少量带负电的2维Ca₂Nb₃O₁₀填料的PVDF、PS基复合材料，实现了击穿场强与储能密度的大幅提升。

2）无机介电储能：

①利用磁控溅射技术制备了Au/SrTiO₃/La_0.67Sr_0.33MnO₃电容器，实现了SrTiO₃/La_0.67Sr_0.33MnO₃界面处离子互扩散对局域电场分布的优化，结合界面处氧空位迁移造成的高界面势垒降低了载流子注入，大幅提高了电容器的击穿场强至660 MV/m和可循环能量密度至307 J/cm³，同时储能效率依然高达89%。

②利用脉冲通电加压烧结制备了具有纳米晶粒结构的(Na,K)(Sb,Nb)O₃-SrZrO₃-(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃弛豫铁电陶瓷，具有不同局域对称性的极性纳米微区由于相互竞争而在电场下只发生连续取向而不发生有效长大，从而降低了极化滞后，在高储能效率~90%下实现了高储能密度~13.1 J/cm³、高功率密度~700 MW/cm³和快速放电<40 ns。