材料学院杨海波教授团队在《Advanced Functional Materials》上发表PEI基复合材料储能研究新成果

近日，材料科学与工程学院杨海波教授团队，在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上发表了题为“Superior Energy Storage Performance Induced by Cross-Scale Electric Field Modulation Utilizing Hybrid Hierarchical Micro–Nano Fillers in PEI-based Composites”的研究论文。澳门皇冠体育_足球比分￥投注app官网杨海波教授、林营教授、袁启斌副教授和南京航空航天大学王婧教授为文章共同通讯作者，材料学院博士生党祯儿和西安交通大学王轶飞副教授为文章共同第一作者，陕西科技大学为第一通讯单位。

聚合物基复合材料因其优异的柔韧性、高击穿场强、轻质量、低成本等优点，在脉冲电源系统及电子设备中具有广阔的应用前景。然而，在高温或强电场等极端环境下，聚合物基复合材料常面临绝缘性能下降、储能效率降低等严峻挑战，极大限制了其实际应用。针对该问题，陕西科技大学杨海波教授团队创新构建了一种基于多级尺寸填料诱导的跨尺度电场调制效应，实现复合材料在宽温域范围内储能密度与储能效率的协同提升。

研究团队选择具有高绝缘性和优异热稳定性的PEI作为基体进行多层结构进行创新设计：外层为氮化硼纳米片（BNNSs）/聚醚酰亚胺（PEI）复合层，中间层为混合分级钛酸钡（BT）微纳米颗粒/PEI复合层，BT微纳米颗粒的粒径分别为0.5 μm和100 nm。中间层的多级BT微纳米颗粒有效提高了介电常数，同时其构建的跨尺度局部弱电场不仅有效阻断和耗散击穿路径，而且抑制由绝缘退化引起的焦耳热积累；外层BNNSs利用自身高绝缘性和所构建的横向局部弱电场对击穿路径产生二次阻断作用的同时，且由于其优良导热性实现对焦耳热的进一步耗散。基于该结构所构建的跨尺度电场调制效应，三明治结构PEI基复合材料在620 MV·m^-1下获得了21.80 J·cm^-3的优异储能密度和96.89%的超高储能效率，远超过其他聚合物基复合材料。值得注意的是，该复合材料还具有良好的高温储能性能，在150 ℃和565 MV·m^-1下，其储能密度为11.98 J·cm^-3，储能效率为87.10%。因此，这种跨尺度电场调控策略为未来高性能聚合物储能材料的研究与开发提供了新途径。

图1 三明治结构PEI基复合材料的a) 设计思路图，b) 断面SEM图和c) 中间层局部放大SEM图；d-g) BT微纳米颗粒在PEI基体内的KPFM图

图2 2.5-2.5复合材料的a) 空间电荷分布和b) 电场分布

图3 三明治结构PEI基复合材料的电树枝动态演化模拟图

图4 a) 2.5-2.5复合材料介电性能与温度的关系；三明治结构PEI基复合材料150 ℃下的b) 威布尔分布和c) 储能性能；d) 2.5-2.5复合材料储能性能和温度的关系

图5 a₁-a₃) PEI基复合材料中间层的二维温度分布模拟；b₁-b₄) PEI基复合材料绕卷电容器后内部温度分布模拟；c) 2.5-2.5复合材料的三维温度分布模拟

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202502204

（核稿：伍媛婷 编辑：赵诚）