二维铁电微片增强聚合物基双层复合材料实现超高能量存储密度

针对聚合物电容器因低击穿强度(Eb)、小介电常数(εr)和大电滞导致能量密度(Udis)与效率(η)不足的问题，研究人员通过引入二维Na0.5Bi4.5Ti4O15(NBT)铁电微片并设计双层结构，开发出击穿强度达8283 kV cm-1、Udis达25.0 J cm-3且η为81.2%的NBT-PEI/NBT-P(VDF-HFP)复合材料，为高性能储能器件提供新策略。

　　

在电子电力系统和储能设备中，介电电容器因其快速充放电特性与高功率密度备受关注。然而，聚合物基介电电容器面临的核心难题是能量存储密度远低于电池和超级电容器，这主要源于其较低的击穿强度(E_b)、介电常数(ε_r)以及高能量损耗。传统解决方案如填充二维材料（如BNNS、MXene）虽能提升E_b，但ε_r提升有限，且PVDF基材料效率(η)仅约60%。如何协同提高能量密度与效率成为领域内亟待突破的瓶颈。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种创新策略：通过引入二维铋层状结构铁电材料Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅(NBT)微片（1-2 μm）并设计PEI与P(VDF-HFP)双层结构，成功实现了E_b、ε_r和η的协同优化。该复合材料在8283 kV cm^-1的超高E_b下，获得25.0 J cm^-3的U_{dis和81.2%的η，同时具备46.6 ns的超快放电速率和62.2 MW cm^-3的功率密度，性能远超现有报道材料。}

研究采用熔盐法制备NBT微片，通过流延法构建双层薄膜，结合紫外光电子能谱(UPS)、脉冲电声法(PEA)和有限元模拟等关键技术，系统分析了材料结构与性能关系。

NBT微片与双层复合材料特性

XRD与SEM证实NBT微片具有均匀的铋层状结构，尺寸1-2 μm，厚度257 nm。AFM显示其在聚合物基体中平行排列，0.75 wt.%填充量下分散均匀。FIB-SEM显示双层结构界面清晰，厚度7.7 μm。

能量存储性能优化

NBT-PEI单层膜的E_b从5467 kV cm^-1提升至7484 kV cm^-1，U_{dis达16.7 J cm^-3；NBT-P(VDF-HFP)膜Eb提升至6084 kV cm^-1。7-3型双层结构（PEI层占比70%）通过界面效应使Eb进一步增至8283 kV cm^-1，η达81.2%。}

界面效应机制

UPS揭示NBT微片电子亲和能(6.2 eV)显著高于PEI(2.8 eV)和P(VDF-HFP)(2.4 eV)，形成3.4-3.8 eV的深陷阱能级捕获电荷。PEA检测到界面电荷密度达1.13×10^-2 C m^-2，远超Maxwell-Wagner-Sillars理论值，证实界面陷阱对抑制电荷注入的关键作用。

有限元模拟

模拟显示NBT微片使电场分布扭曲，电树枝演化路径迂回；双层界面进一步诱导电树枝分叉，能量耗散增加，从而延缓击穿。

充放电性能

RLC测试表明复合材料在3000 kV cm^-1下实现102.5 A cm^-2电流密度，功率密度62.2 MW cm^-3，且循环稳定性优异（10³次后U_dis波动<10%）。

该研究通过材料设计与结构创新，解决了聚合物电容器能量密度与效率难以兼得的难题。NBT微片的电子阻挡效应与双层界面效应的协同作用，为开发高性能储能器件提供了新范式。研究成果对脉冲功率系统、新能源汽车等领域具有重要应用价值。