康涅狄格大学Dr. Yang Cao团队：二维MMT优化层状复合材料界面，应用于高温介电储能

1. 简介

介电聚合物复合材料具有超高的功率密度和超快的充放电速率，是构成介电电容的重要组成材料，可被用于可再生能源的转换与存储、脉冲功率器件、电动汽车等前沿领域。然而，在高温/高电场工作条件下，聚合物的高能量损耗成为了限制其发展的主要瓶颈。

近日，康涅狄格大学的Dr. Yang Cao课题组通过在层状复合材料钛酸钡/聚酰胺酰亚胺（BT/PAI）的界面处引入二维（2D）蒙脱土（MMT）纳米片的方法，实现了对其高温能量损耗的有效抑制。MMT具有电导各向异性的特性，在z轴方向具有较大的禁带宽度而在沿面方向却有较高的电导率。当MMT在层状材料界面处定向排列时，这一特性会一方面阻碍自由电荷穿过界面，同时诱导电荷延界面延展方向耗散。引入MMT后的层状复合材料在150°C、400 MV/m下工作时，接近50%的能量损耗可以被抑制，从而大幅提高了充放电效率和放电能量密度。

该工作以“High-temperature dielectric polymer nanocomposites with interposed montmorillonite nanosheets”为题发表在Chemical Engineering Journal上，Dr. Yifei Wang（王轶飞博士）为第一作者，Dr. Yang Cao为通讯作者。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472032221X

2. 图文

Fig. 1. MMT增强层状复合材料的 (a) 制备示意图、 (b) SEM、(c) EDAX以及 (d) 实物照片.

Fig. 2. 有/无MMT层状复合材料对比. (a) 介电常数、 (b) 介电损耗、(c) 电滞回线以及 (d) 最大极化与剩余极化差值.

Fig. 3. 高温介电特性. (a) 介电常数、 (b) 介电损耗、(c) 能量损耗、(d)充放电效率以及 (e) 放电能量密度. (f) MMT界面增强复合材料与现有高温介电聚合物及复合材料的性能对比.

Fig. 4. 有限元仿真 (a) 电场分布、(b) 电荷密度以及 (c) 漏电流密度. (d) 150°C下的高场电导对比.

Fig. 5. 有限元仿真有/无MMT层状复合材料电荷运动轨迹对比.

Fig. 6. 不同组分复合材料的 (a)能量损耗以及(d)充放电效率对比.

3. 小结

本文提出了一种通过界面工程有效提高聚合物复合材料高温储能特性的方法，易于被推广到其他介电材料的优化中。该工作不仅在开发新材料方面提出了新的思路，并且也激发了对于介电复合材料中界面效应的深入思考。

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