浙江大學張啟龍Compos. Part A Appl. Sci. Manuf.：BST@SiO2 NT/PVDF復合材料的制備及其儲能性能研究

DOI: 10.1016/j.compositesa.2021.106375

聚合物基復合材料可用作薄膜電容器，但能量密度與效率之間的矛盾限制了其進一步的應用。在此，研究者提出了一種新型一維核殼管狀結構的納米填料，通過改進的靜電紡絲法和濕化學法制備了SiO2表面修飾Ba0.6Sr0.4TiO3納米管（BST@SiO2 NTs）。值得注意的是，通過摻入適量的BST@SiO2 NTs，既可以提高介電性能，又可以增強擊穿強度。因此，2vol％BST@SiO2 NT/PVDF復合材料可達到約18.08J/cm3的超高Ud（放電能量密度），遠大于純PVDF的對應值（11.25J/cm3）。更重要的是，與純PVDF（59.87％）相比，該復合材料還可以保持70.06％的出色效率。這項工作為無機納米填料的結構設計提供了一條新穎、獨特的途徑，是制備高性能介電復合材料和實現相關潛在應用的理想策略。

圖1.（a）BST NT的TEM圖像，（b）BST@SiO2 NT的TEM和EDS映射圖像，（c）BST NTs和BST@SiO2 NTs的XRD圖，（d）BST NTs和BST@SiO2 NTs的FT-IR光譜。

圖2.（a）2vol％BST@SiO2 NT/PVDF復合材料的截面和（b）表面SEM圖像，（c）PVDF和BST@SiO2 NT/PVDF復合材料的FT-IR光譜和（d）XRD圖。

圖3.PVDF和具有不同體積比BST@SiO2 NT的BST@SiO2 NT/PVDF復合材料的（a）介電常數，（b）介電損耗和（c）電導率的頻率依賴性，（d）BST@SiO2 NT/PVDF和BST NT/PVDF復合材料在1kHz時的介電常數（上）和介電損耗（下）。

圖4.（a）BST@SiO2 NT/PVDF和（b）BST NT/PVDF復合材料的威布爾分布，（c）BST@SiO2 NT/PVDF和BST NT/PVDF復合材料的特征擊穿強度（上）和形狀參數（下）。

圖5.原始PVDF和BST@SiO2 NT/PVDF復合材料的儲能性能。（a）最高外部電場下的單極性D-E環，（b）Dm（上）和Dm-Dr（下），（c）放電能量密度，以及（d）外部電場對能量存儲效率的依賴性。

圖6.儲能性能比較。（a）純PVDF薄膜，體積分數為2％（E=300MV/m）的BST NT/PVDF和BST@SiO2 NT/PVDF復合薄膜的D-E環。（b）PVDF和復合材料的放電能量密度（下）和效率（上）。

圖7.先前報道的填充有核殼無機納米填料的PVDF基復合材料的儲能性能（Ud和η）的比較。