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Polymer nanocomposites with a “hilly-like” SiO2/Au interlayer towards excellent high-temperature energy storage performance
Chemical Engineering Journal ( IF 13.3 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1016/j.cej.2024.158708
Linwei Zhu, Jintao Tian, Zengliang Ren, Shuimiao Xia, Zelong Chang, Peng Yin, Davoud Dastan, Zhicheng Shi
Chemical Engineering Journal ( IF 13.3 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1016/j.cej.2024.158708
Linwei Zhu, Jintao Tian, Zengliang Ren, Shuimiao Xia, Zelong Chang, Peng Yin, Davoud Dastan, Zhicheng Shi
Film capacitors based on polymer dielectrics are key components in pulsed power systems. But they always suffer from severe deterioration in energy storage performance at high temperatures because of accelerated carrier transfer and thermal runaway. Incorporating ceramic fillers into polymer is one of the most promising strategies to suppress the high-temperature carrier transfer. However, poor compatibility between ceramic and polymer always leads to agglomeration. Herein, SiO2 microspheres and Au nanoparticles are homogeneously embedded into the polymer films, forming a unique nanocomposite with a hilly-like SiO2 /Au nanolayer. Benefiting from the wide bandgap of SiO2 microspheres and Coulomb-blockade effect of Au nanoparticles, the high-temperature charge transport is effectively suppressed. As a result, the poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) film embedded with a hilly-like SiO2 /Au nanolayer exhibits significant enhancements of 252 %, 145 %, and 220 % at 50 ℃, 80 ℃, and 100 ℃ in energy density. It is further demonstrated that, the SiO2 /Au nanolayer can also be employed to enhance the high-temperature energy performances of polyetherimide. The SiO2 /Au/polyetherimide composite film achieves a high discharged energy density (6.16 J cm−3 ) for the η of 80 % at 600 MV m−1 and 150 ℃. This work offers an innovative and effective strategy to address the long-standing filler agglomeration challenge in organic/inorganic nanocomposites, which is not only of great significance for polymer based dielectric composites, but is also illuminating for the design of other nanocomposites.
中文翻译:
具有“丘陵状”SiO2/Au 中间层的聚合物纳米复合材料,可实现出色的高温储能性能
基于聚合物电介质的薄膜电容器是脉冲电力系统中的关键元件。但由于载流子转移加速和热失控,它们在高温下储能性能总是严重恶化。将陶瓷填料掺入聚合物中是抑制高温载流子转移的最有前途的策略之一。然而,陶瓷和聚合物之间的相容性差总是会导致团聚。在此,SiO2 微球和 Au 纳米颗粒均匀嵌入聚合物薄膜中,形成具有丘陵状 SiO2/Au 纳米层的独特纳米复合材料。得益于 SiO2 微球的宽禁带和 Au 纳米颗粒的库仑阻断效应,高温电荷传输得到有效抑制。因此,嵌入丘陵状 SiO2/Au 纳米层的聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)薄膜在 50 °C、80 °C 和 100 °C 的能量密度显著提高了 252 %、145 % 和 220 %。进一步证明,SiO2/Au 纳米层也可用于增强聚醚酰亚胺的高温能量性能。SiO2/Au/聚醚酰亚胺复合膜在 600 MV m-1 和 150 °C 下实现了 80% 的高放电能量密度 (6.16 J cm-3),η为 80%。这项工作为解决有机/无机纳米复合材料中长期存在的填料团聚挑战提供了一种创新有效的策略,这不仅对聚合物基介电复合材料具有重要意义,而且对其他纳米复合材料的设计也具有启发性。
更新日期:2024-12-17
中文翻译:
具有“丘陵状”SiO2/Au 中间层的聚合物纳米复合材料,可实现出色的高温储能性能
基于聚合物电介质的薄膜电容器是脉冲电力系统中的关键元件。但由于载流子转移加速和热失控,它们在高温下储能性能总是严重恶化。将陶瓷填料掺入聚合物中是抑制高温载流子转移的最有前途的策略之一。然而,陶瓷和聚合物之间的相容性差总是会导致团聚。在此,SiO2 微球和 Au 纳米颗粒均匀嵌入聚合物薄膜中,形成具有丘陵状 SiO2/Au 纳米层的独特纳米复合材料。得益于 SiO2 微球的宽禁带和 Au 纳米颗粒的库仑阻断效应,高温电荷传输得到有效抑制。因此,嵌入丘陵状 SiO2/Au 纳米层的聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)薄膜在 50 °C、80 °C 和 100 °C 的能量密度显著提高了 252 %、145 % 和 220 %。进一步证明,SiO2/Au 纳米层也可用于增强聚醚酰亚胺的高温能量性能。SiO2/Au/聚醚酰亚胺复合膜在 600 MV m-1 和 150 °C 下实现了 80% 的高放电能量密度 (6.16 J cm-3),η为 80%。这项工作为解决有机/无机纳米复合材料中长期存在的填料团聚挑战提供了一种创新有效的策略,这不仅对聚合物基介电复合材料具有重要意义,而且对其他纳米复合材料的设计也具有启发性。