聚偏氟乙烯基复合材料储能特性优化策略 | 《物理学报》特邀综述

查俊伟等物理学报 2023-03-03

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文章信息

聚偏氟乙烯基复合材料储能特性优化策略

Optimization strategies for energy storage properties of polyvinylidene fluoride composites

查俊伟，查磊军，郑明胜

物理学报. 2023, 72 (1): 018401.

doi: 10.7498/aps.72.20222012

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文章导读

随着不可再生能源日益减少，人类社会正面临巨大的能源挑战，促使人们必须寻找有效的能源转换与储存系统。我国已将储能作为重点研究和发展领域之一，“十四五”能源领域规划中明确指出集中攻关功率型/备用型储能技术装备与系统集成技术。人们对电能储存单元进行了大量的探索工作，如电池、介质电容器、超级电容器。相对于电池和超级电容器等电化学元件，介质电容器具有高的功率能量密度，这是基于其通过局部偶极的旋转来存储和释放能量的物理变化，具备超快充放电速度（μs~ms），并且能够在高温高压等特殊环境下工作，循环寿命长，制备工艺较简单，是其他电能储存元件所不具备的优点，因此介质电容器被广泛应用于输变电工程，新能源汽车，电磁弹射等先进电力系统。

但因电容器中的介质聚合物介电常数较低，导致能量存储密度始终在一个较低的水平，例如目前已经工业应用的双向拉伸聚丙烯(BOPP)储能电容器储能密度仅为1~2J/cm³，与电池这类电化学器件储能密度相差三到四个数量级，难以满足现阶段日益增长的储能需求，限制了介质电容器的进一步发展。因此如何提高电介质材料的储能性能，成为当前电气工程研究热点之一。

在聚合物电介质材料中，聚偏氟乙烯（PVDF）基聚合物因具有较高的介电常数与较高的击穿强度得到广泛关注。本文着重介绍了以PVDF为基体的储能复合材料，结合最新研究成果，归纳和讨论包括介电常数、击穿强度和充放电效率三个提高储能密度的机理及其优化策略，并重点分析了纳米填料形貌及种类的差异和多层材料的层间界面等对PVDF基复合材料的介电及储能特性的影响。最后，文章对PVDF基高储能复合材料存在的界面效应机理不明确、耐热性差、高损耗等关键科学问题进行了总结和思考，并展望了介质电容器未来的发展趋势。

图1 提升储能密度手段（a）提升介电常数^[1];（b）提升击穿强度^[2];（c）提升充放电效率^[3]

参考文献

[1] Cho S, Lee J S, Jang J 2015 ACS Appl. Mater. Interfaces7 9668

[2] Xie Y C, Jiang W R, Fu T, Liu J J, Zhang Z C, Wang S G 2018 ACS Appl. Mater. Interfaces10 29038

[3] Azizi A, Gadinski M R, Li Q, AlSaud M A, Wang J J, Wang Y, Wang B, Liu F H, Chen L Q, Alem N, Wang Q 2017 Adv. Mater.29 1701864.

作者简介

查俊伟

北京科技大学教授，博导，国家优秀青年科学基金获得者，北京市科技新星计划及香江学者计划入选者，IET Fellow，IEEE Senior Member，获2019年教育部自然科学一等奖及2021中国复合材料学会青年科学家奖。

长期从事电介质储能材料、绝缘导热、智能柔性电工材料等领域的应用基础研究工作，在Adv Mater、Energy Environm Sci.等期刊共发表论文160篇，其中SCI论文120余篇，他引6800余次；已授权发明专利13项；合著英文书籍4部，中文书籍1部。现担任IET Nanodielectrics期刊主题编辑以及Energy & Environmental Materials、Chinese Physics Letters、Chinese Physics B、《物理学报》和《物理》等多个期刊客座主编、青年编委，CIGRE WG D1.73委员，IEEE/DEIS纳米电介质技术委员会委员，中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专委会秘书长、青工委执行委员，中国电工技术学会储能系统与装备专委会委员、工程电介质专委会委员及青工委先进储能科学与应用学组副主任等。

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