黄云辉：超细核-壳结构BaTiO3@SiO2改性的高能量密度纳米复合电容器

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介电电容器是脉冲功率系统中不可替代的能量存储部件，但现有材料系统的低能量密度（Ue）限制了它们的小型化和进一步应用。高质量的陶瓷-聚合物界面对纳米复合材料的储能性能有着至关重要的影响。基于界面控制的角度，在过去十年中已经开发了各种技术方法来改善陶瓷-聚合物复合材料的介电性能，包括表面功能化，包覆，使用纳米填料，无机填料的多尺度结构设计等。尤其是超细晶无机填料的运用，不仅可以有效提升复合材料的介电常数（ε），同时能够保持基体高的击穿场强（Eb），因此能够大幅度改善纳米复合材料的Ue。

近日，在北京邮电大学郝亚楠副教授，同济大学黄云辉教授和清华大学王晓慧教授带领下，在这项工作中，使用直径小于10nm的超细晶核-壳BaTiO3@SiO2（BT@SO）结构制备新型聚合物/陶瓷纳米复合材料。这种超细核-壳纳米结构不仅具备高绝缘的SiO2层来优化薄膜的微观结构和介电响应，而且还具有比传统100nm填料大十倍的比表面积以实现高的界面极化，因此能够同时提高复合材料的击穿强度和电位移极化。通过简单通用的0-3型结构，即0维纳米粒子嵌入三维连接的聚合物基质中，BT@SO/PVDF纳米复合表现出了优异的储能性能，在420kV/mm下Umax=11.5 J/cm3。实验结果和相场模拟数据均证实了这种超细纳米结构在提高介电复合材料能量密度方面的优越性，为高能量密度复合材料的设计提供了新的技术途径。相关成果以题为“Ultrafine core-shell BaTiO3@SiO2 structures for nanocomposite capacitors with high energy density”发表在Nano Energy上。