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        Advanced Materials:高通量相場模擬設計高能量密度的聚合物基復合電介質

        電介質靜電電容器是重要的基礎電子元件,同時也是廣泛用于電子電力系統、能源系統等領域的儲能器件。跟電化學儲能器件(如: 電池、超級電容器)相比,介電電容器具有更高的功能密度、更高的工作電壓、超長的循環使用壽命并具有全固態結構的優點。但其低的體積能量密度限制了其廣泛的應用。

        介電電容器的能量密度主要由其介電強度和介電常數共同決定。聚合物由于其較高的擊穿場強,良好的加工性能以及柔性等特點被廣泛應用于電介質材料。但其較低的介電常數,限制了能量密度的提高。近幾年大量實驗表明采用高介電氧化物作為納米填料與聚合物基體復合,利用界面極化可顯著提升介電常數,但高介電填料的引入會引起界面局域電場的不均勻,致使介電強度明顯降低。如何更好地認識界面效應所帶來的“1+1≠2”的現象,是進一步提高能量密度的基礎和關鍵。


        Advanced Materials:高通量相場模擬設計高能量密度的聚合物基復合電介質

        圖1微觀結構-有效性能-復合結構設計流程圖


        近期,清華大學材料學院沈洋課題組提出靜電擊穿相場模型,以PVDF-BaTiO3為例,解釋了復合電介質其微觀結構與宏觀有效介電性能的關系,并利用高通量計算與篩選,設計出新型三明治疊層復合電介質。該工作首先基于相場理論,以能量為判據,構建靜電擊穿模型來模擬不同微觀結構下擊穿路徑的演化過程,并與實驗結果很好地吻合,結果表明擊穿路徑的演化與界面處電場的聚集密切相關。隨后在微觀結構數據集合的基礎上,利用高通量計算預測與之對應的介電性能集合(擊穿場強、介電常數和能量密度),基于高通量篩選和參數優化后,設計出將能量密度較聚合物基體提高2.44倍的三明治疊層結構復合電介質。

        相關工作發表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201704380)上。清華大學材料學院的沈洋教授和賓夕法尼亞州立大學的王建軍博士為該論文的通訊作者,清華大學博士生沈忠慧為本文的第一作者。



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