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我校在“无机/有机聚合物复合能量存储”领域取得新进展

发布日期:2025年01月20日 16:21 来源: 点击次数:

近日,我校化学化工学院胡登卫教授团队等完成的研究论文“High Energy Storage Under the Regulation of Polymer Phase Structure”在国际著名学术期刊Small上发表。该期刊属于中国科学院SCI分区物理应用1区Top期刊,影响因子为13。我校为该研究论文第一完成单位。论文第一作者为我校化学化工学院2020级无机化学专业硕士研究生苏瑶(现为西北工业大学2023级材料学专业博士研究生)。

Small,2025, 2410354)

柔性无机/有机聚合物复合储能薄膜由于具有体积小、质量轻、柔韧性好、充放电效率高、寿命长、安全性高等优点,在能量存储和传感等应用领域备受青睐。尤其是极性聚合物,其链中显的著偶极矩,通常显示出很高介电常数(εr),对储能性能产生积极的影响。例如具有强极性和高自发位移的PVDF,其εr为10左右。它的α相(TGTG’构型)为非极性,而其他三个为极性相,β相(TTTT’构型)显示出最大的偶极矩。在PVDF中,极性β相的早期饱和并抑制了击穿强度(Eb)的增加,从而降低了能量密度(Ue)。此外,γ相(TTTGTTTG’)的剩余极化(Dr)低于极性β相,从而导致更高的Ue。因此,调节和控制PVDF的相比例能有效提高其储能性能。在本研究中,合成了具有核壳结构的BaTiO3@PVP纳米粒子,并将其引入PVDF基体中,制备出了BaTiO3@PVP/PVDF纳米复合薄膜。研究发现,5 vol% BaTiO3@PVP/PVDF薄膜在458 MV/m的电场下实现了18.39 J/cm³的较大能量密度,分别是BaTiO3/PVDF和双向拉伸聚丙烯(BOPP)的4倍和9倍,充放电效率达到了79.80%,为目前铁电无机填充PVDF复合材料中的较高值。这一优异性能归因于PVP分子对PVDF链的挤压作用,促使β相向非极性的α相和弱极性的γ相转变,从而提高了击穿强度和降低了剩余极化。也归功于高介电常数的BaTiO3提供了高的饱和极化。同时,同步辐射XAS以及红外等多种表征手段证实了PVP和PVDF可以形成氢键,这可能导致F原子位置的挤出或断裂,进而使有序的β相转变为无序的α/γ相。此外,PVP较大的带隙以及PVDF和PVP之间的氢键抑制了导电损失。这些均为性能提升提供了有效条件。本研究为无机/有机聚合物复合能量存储提出了机制,为未来开发能量密度更优异的柔性纳米复合材料提供新思路。(科研管理处、化学化工学院 文、图/周妮妮 审核/王晓玲、胡登卫)

论文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202410354