Regulation of electron depletion layer in polymer-based nanocomposites for superior energy storage capability

材料科学 复合材料 纳米复合材料 聚合物 电子 陶瓷 聚合物纳米复合材料 介电强度 图层(电子) 电介质 光电子学 量子力学 物理
作者
Lü Jing,Weili Li,Chang Gao,Weidong Fei
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:430: 133034-133034 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133034
摘要

Polymer-based dielectrics trigger great interests in advanced electric systems due to their high breakdown strength and power density. However, a major drawback is that excessive addition of high-εr ceramic nanofillers may deteriorate their breakdown strength and further reduce energy density. Herein, a general strategy is provided to dramatically enhance the breakdown strength by introducing a small amount of core–shell structured Al2O3@BiFeO3 nanofibers into PVDF/PMMA polymer matrix. The thickness of BiFeO3 shell is regulated by controlling its molar concentration. A significantly enhanced breakdown strength (759 kV mm−1) and an ultrahigh energy density (22.7 J cm−3) with an energy efficiency of 72% are observed. The greatly improved breakdown strength is ascribed to the regulation of electron depletion layer. When the width of heterojunction region gradually approaches to the scale of electron depletion layer, more annihilation of electrons happens and thus contributes to the enhancement of the breakdown strength. The results suggest that our designed structure can help to address the issue of both enhancing the breakdown strength and energy density for diverse nanocomposites over a broad application.
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