Designing polymer nanocomposites with high energy density using machine learning

材料科学 电介质 聚合物纳米复合材料 聚合物 纳米复合材料 工作(物理) 微观结构 介电强度 钙钛矿(结构) 纳米技术 复合材料 化学工程 光电子学 机械工程 工程类
作者
Zhonghui Shen,Zhiwei Bao,Xiaoxing Cheng,Baowen Li,Hanxing Liu,Yang Shen,Long‐Qing Chen,Xiaoguang Li,Ce‐Wen Nan
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1) 被引量:50
标识
DOI:10.1038/s41524-021-00578-6
摘要

Abstract Addressing microstructure-property relations of polymer nanocomposites is vital for designing advanced dielectrics for electrostatic energy storage. Here, we develop an integrated phase-field model to simulate the dielectric response, charge transport, and breakdown process of polymer nanocomposites. Subsequently, based on 6615 high-throughput calculation results, a machine learning strategy is schemed to evaluate the capability of energy storage. We find that parallel perovskite nanosheets prefer to block and then drive charges to migrate along with the interfaces in x - y plane, which could significantly improve the breakdown strength of polymer nanocomposites. To verify our predictions, we fabricate a polymer nanocomposite P(VDF-HFP)/Ca 2 Nb 3 O 10 , whose highest discharged energy density almost doubles to 35.9 J cm −3 compared with the pristine polymer, mainly benefit from the improved breakdown strength of 853 MV m −1 . This work opens a horizon to exploit the great potential of 2D perovskite nanosheets for a wide range of applications of flexible dielectrics with the requirement of high voltage endurance.
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