Double-gradients design of polymer nanocomposites with high energy density

材料科学 微观结构 电介质 复合材料 纳米复合材料 聚合物纳米复合材料 聚合物 聚醚酰亚胺 氮化硼 光电子学
作者
Yu Feng,Jin-Peng Xue,Tiandong Zhang,Qingguo Chi,Jinglei Li,Qingguo Chen,Jianjun Wang,Lei Chen
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:44: 73-81 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2021.10.008
摘要

Polymer dielectrics are encouraging contenders for high-density energy storage applications. The energy density of a polymer dielectric depends on the breakdown strength and dielectric constant. However, a polymer dielectric with a high breakdown strength usually has a low dielectric constant, or vice versa. Therefore, it is critical to perform microstructure design to achieve the optimal energy-storage performance. In this work, we propose to improve the energy density of a polymer nanocomposite by introducing double gradients into the microstructure. More specifically, employed a stochastic model to simulate the microstructure effect on the breakdown strength and revealed that the microstructure with opposite gradients for the two nanofillers can effectively enhance the breakdown strength. Then, we fabricated composites of polyetherimide (PEI) filled with 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3–0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 fibers (BZCTFS) and boron nitride nanosheets (BNNS), where BZCT and BNNS have opposite gradients. The optimal microstructure was shown to have an enhanced breakdown strength of 580 kV/mm and dischargeable energy density of 4.87 J/cm3, which are 38% and 95% higher than those of the pure polymer (420 kV/mm and 2.5 J/cm3), respectively. It is expected that the double-gradients design strategy will be extensively used to engineer the microstructure of polymer nanocomposites to obtain high-energy-density storage.
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