一、研究背景
聚合物基电介质在各类储能材料中具有较高的功率密度以及快速的充放电的特性，广泛应用于电子电气等各个行业。传统的聚合物基储能复合材料通常含有10 vol.%~50 vol.%的无机纳米填充物，如此高的填充量或造成，一方面，这些无机填充物容易在复合材料中发生团聚或产生大量的缺陷等，极大地削弱其击穿场强，致使其储能密度和效率始终处于较低的水平；另一方面，这些无机纳米材料大量添加势必也会增加生产成本。二、研究成果近日，上海交通大学江平开教授与清华大学何金良教授课题组开展合作，在聚合物基储能复合材料领域取得重要进展。该工作首先采用简单的溶液浇铸法制备了以平铺的氮化硼纳米片作为中间层，PVDF为上下层的三明治结构。当在中间层仅添加体积分数为0.16 vol.％氮化硼纳米片时，其复合薄膜的击穿强度达到了612 MV/m，储能密度达到14.3 J/cm3，分别是纯PVDF薄膜的136%和275%，创造了超低含量纳米复合材料获得高储能性能的新突破。该工作以标题“High Energy Density Polymer Dielectrics Interlayered by Assembled Boron Nitride Nanosheets” 发表于国际顶级学术期刊Advanced Energy Materials上，并被选为背封面文章(back cover)。上海交通大学博士生朱荧科为本文第一作者，上海交通大学黄兴溢教授和清华大学李琦副教授为本文的共同通讯作者。
本文亮点：1：通过平铺取向的氮化硼纳米片来阻碍复合薄膜在高场下电树枝的生长，提高其击穿强度和储能性能。2：添加极低体积分数(0.16 vol.％)的氮化硼纳米片实现高击穿场强(612 MV/m)及优异的储能密度及效率(14.3 J/cm3, 70%)，弥补了聚合物基纳米无机复合材料击穿场强低，储能性能差等不足。3：该工作为高性能聚合物基储能电介质提供了一种新颖、简单及高效的方法。
图1 该工作作为文章封面图三、研究思路与具体研究结果讨论
图2 制备氮化硼纳米片夹层结构复合介电薄膜的制备工艺该工作中与传统复合薄膜制备工艺不同之处在于，传统复合薄膜的制备通常将无机纳米材料与聚合物进行机械共混，纳米材料在聚合物基体中呈现出无规分布的状态，而该研究工作中巧妙地将氮化硼纳米片在聚合物基体中进行平行排列，以达到在高场下阻碍电树枝在复合薄膜中发展，从而提高其击穿强度和和储能性能。
图3 (a) 不同体积分数的氮化硼纳米片在复合薄膜中间层的显微结构以及(b) 薄膜的照片含体积分数分别为0.13, 0.16, 0.55,及1.03 vol.%的氮化硼纳米片复合薄膜的显微结构中可以看到，氮化硼纳米片在聚合物中未发生相分离，而且所有的复合薄膜都保持良好的透光性，这是传统的复合薄膜所无法企及的。
图4 (a) 纯PVDF及含氮化硼纳米片复合薄膜的介电损耗。(b) 纯PVDF及含氮化硼纳米片复合薄膜的weibull击穿强度结果。(c) 不同电场下纯PVDF及含氮化硼纳米片复合薄膜剩余极化率(Pr)的比较。(d) 纯PVDF及含氮化硼纳米片复合薄膜的最大放电能量密度和效率。氮化硼纳米片在聚合物基体中平行排列后能有效抑制自由电荷在复合薄膜界面处的积累，能有效降低复合薄膜的介电损耗，能有效削弱复合薄膜在高场下由于漏电而产生的充放电损耗，同样的，该现象也能解释平行排列后氮化硼纳米片能显著提高复合薄膜的击穿强度以及储能性能。四、研究小结这一发现彻底颠覆了人们对于聚合物基储能复合薄膜结构设计的思路。该研究工作为设计低添加、高储能效率以及低成本的电介质储能设备提供了新的依据和思路。全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201970140---纳米纤维素找北方世纪---
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来源：高分子科学前沿
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