Achieving remarkable energy storage enhancement in polymer dielectrics via constructing an ultrathin Coulomb blockade layer of gold nanoparticles

材料科学 电介质 图层(电子) 纳米颗粒 库仑阻塞 聚合物 储能 胶体金 纳米技术 库仑 化学工程 光电子学 复合材料 电气工程 电压 晶体管 物理 工程类 量子力学 功率(物理) 电子
作者
Shuimiao Xia,Zhicheng Shi,Kai Sun,Peng Yin,Davoud Dastan,Yao Liu,Hongzhi Cui,Runhua Fan
出处
期刊:Materials horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (7): 2476-2486 被引量:51
标识
DOI:10.1039/d3mh00084b
摘要

High-energy density polymer dielectrics play a crucial role in various pulsed energy storage and conversion systems. So far, many strategies have been demonstrated to be able to effectively improve the energy density of polymer dielectrics, but sophisticated fabrication processes are usually needed which result in high cost and poor repeatability. Herein, an easy-operated sputtering and hot-pressing process is developed to significantly enhance the energy density of polymer dielectrics. Surprisingly, for the poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) films sputtered with merely 0.0064 vol% gold nanoparticles, the energy density is remarkably improved by 84.3% because of the concurrent enhancements in breakdown strength (by 37.5%) and dielectric permittivity (by 25.5%), which is demonstrated to have originated from the unique Coulomb blockade and micro-capacitor effect of the gold nanoparticles. It is further confirmed that this design strategy is also applicable for commercial biaxially oriented polypropylene and poly(methyl methacrylate). This work offers a novel, easy-operated and universally applicable route to improve the energy density of polymeric dielectrics, which paves the way for their application in modern electronics and power modules.
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