哈工大全媒體（劉培香 張德龍/文 張德龍/圖）近日，我校儀器科學(xué)與工程學(xué)院和鄭州研究院常云飛教授、王大偉教授課題組提出一種在基體中引入二維鉍層狀鐵電微晶以及構(gòu)建復(fù)合物雙層結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，突破了聚合物基介電材料在儲(chǔ)能性能提升方面的限制。相關(guān)研究成果以《通過引入二維鐵電微晶實(shí)現(xiàn)聚合物基雙層復(fù)合材料的高儲(chǔ)能性能》（Superior energy storage capacity of polymer-based bilayer composites by introducing 2D ferroelectric micro-sheets）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。

聚合物基介質(zhì)電容器具有充放電速率快、功率密度高、柔性好、可以自愈等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能器件和先進(jìn)電子電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，聚合物基介電材料存在擊穿場(chǎng)強(qiáng)不高、介電常數(shù)較低以及電遲滯高的問題，難以同時(shí)獲得大幅度提升的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率，阻礙了相關(guān)器件和系統(tǒng)向高性能化、微型化及輕量化方向的發(fā)展。 

通過在基體中引入二維鐵電微晶和構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料的高儲(chǔ)能性能 

針對(duì)此現(xiàn)狀，常云飛教授、王大偉教授課題組提出了在聚合物基體中引入二維鉍層狀鐵電Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅（NBT）片狀微晶以及構(gòu)建復(fù)合物雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路（圖d），協(xié)同利用引入NBT微晶所產(chǎn)生的電勢(shì)壘效應(yīng)和構(gòu)建雙層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的界面效應(yīng)（圖a-c），有效地抑制了電荷在聚合物層內(nèi)和層間的傳輸，大幅度提高了擊穿場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)也提高了聚合物的介電常數(shù)，增強(qiáng)了其極化能力?；诖搜兄频碾p層聚合物基復(fù)合材料NBT-PEI/NBT-P（VDF-HFP）具有大幅度提升的儲(chǔ)能密度（U_dis~25.0 J/cm³），并兼顧較高的儲(chǔ)能效率（η~81.2%）。該工作可為未來(lái)研發(fā)高性能聚合物基電介質(zhì)提供重要指導(dǎo)，并為先進(jìn)儲(chǔ)能器件和系統(tǒng)應(yīng)用提供了一種高性能聚合物基儲(chǔ)能材料。

我校儀器科學(xué)與工程學(xué)院為論文第一完成單位，常云飛教授、王大偉教授以及湖北大學(xué)張清風(fēng)教授為論文共同通訊作者。儀器科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生范鎮(zhèn)豪為論文第一作者，博士研究生戴劍、謝航、岳文峰等參與相關(guān)研究工作。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55112-1