近日，我校電子信息學(xué)院智能傳感器和微系統(tǒng)教育部工程中心王高峰教授團隊研究生朱成龍以第一作者第一單位在Chemical Engineering Journal(影響因子：13.273)上發(fā)表題為“Enhanced energy storage performance of polymer nanocomposites using hybrid 2D ZnO@MoS2 semiconductive nano-fillers.”的研究論文。我校電子信息學(xué)院研究生周炳、汶飛副教授、李麗麗副教授、吳薇教授、王高峰教授、MIT張麟研究員和伍倫貢大學(xué)韓朝、李維杰、岳增記、張樹君為共同作者。其中，汶飛副教授和朱成龍為共同第一作者，我校李麗麗副教授、張麟研究員和張樹君教授為共同通訊作者。
作為電力、電氣及電子信息系統(tǒng)中最重要的電子元器件之一，薄膜電容器被廣泛應(yīng)用于電路中實現(xiàn)隔直通交、耦合、旁路、濾波、能量轉(zhuǎn)換及控制等功能。與電池、電化學(xué)電容器等相比，薄膜電容器具有使用電場強度高、電能釋放速度快、功率密度高等特點，尤其適用于需要在短時間內(nèi)釋放出大量電能的放電電容器。高溫薄膜電容器已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如混合動力汽車，智能電網(wǎng)和脈沖電源中的儲能組件。
圖1 薄膜電容器的應(yīng)用
雙軸取向聚丙烯(BOPP)是薄膜電容器中最常用的商用聚合物，由其制成的薄膜電容器具有高能量效率，但是，較低的介電常數(shù)使其儲能密度相對較低，已經(jīng)難以滿足這些系統(tǒng)對高能量密度的需求。近年來，科學(xué)家通過改性極性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,將PVDF基聚合物的儲能密度提高到17 J/cm3。而在實際應(yīng)用中，從功耗和安全的角度考慮，薄膜電容器不僅需要具備優(yōu)越的電性能，還要求電介質(zhì)材料可以在低電場下獲得較高的儲能密度和效率。
該項工作以雜化二維半導(dǎo)體納米填料(ZnO@MoS2)作為研究對象，研究MoS2在復(fù)合填料中的含量對儲能性能的影響。二維材料在擊穿過程中可以作為導(dǎo)電屏障，限制電荷的遷移，阻礙電樹枝化的擴展，特別是二維半導(dǎo)體材料(MoS2)還具有明顯的帶隙和電場可調(diào)的介電常數(shù)。因此，通過超聲混合法制備了不同比例的ZnO@MoS2納米填料。研究發(fā)現(xiàn)，雜化填料可以有效地改善材料的介電性能、擊穿電場和儲能性能，同時指出少量添加物不容易影響材料的擊穿電場等性能，但能有效改善復(fù)合材料的介電性能和極化性能。此外，相比于簡單物理混合填料(ZnO-MoS2)，雜化填料(ZnO@MoS2)不僅可以在保持相近低損耗的情況下提高介電常數(shù)，還可以降低導(dǎo)電溝道擊穿的可能性。
圖2 ZnO@MoS2復(fù)合薄膜制備流程圖
圖3 ZnO@MoS2復(fù)合薄膜實物圖和SEM圖像
本文通過溶液澆鑄法制備了不同填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P/ZnO@MoS2復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)填料中MoS2含量小于2 wt.%時，擊穿場強下降很少；高于2 wt.%時，擊穿場強小于純基體的70%，表明只有MoS2含量(2 wt.%)適量時，形成的ZnO@MoS2雜化結(jié)構(gòu)可以有效地抑制載流子的運動，同時降低交流電導(dǎo)率以維持較高的擊穿場強。通過P-E loop和儲能測試，2 wt.% P/ZnO@MoS2復(fù)合薄膜在300 MV/m下具有7.2 J/cm3的高能量密度，比純PVDF聚合物的儲能密度高70%，并且其效率高達(dá)83%，使這種納米復(fù)合材料有望成為儲能領(lǐng)域的候選材料。
該研究工作受浙江省科技廳的重點研發(fā)計劃項目和自然科學(xué)基金的支持。
圖4 室溫下2 wt% P/ZnO@MoS2樣品和所選材料在300 MV/m下的儲能性能
