银纳米线构建的ε-负超复合材料层状结构超电容器：突破介电性能与能量密度的协同优化

本研究创新性地采用银纳米线（AgNWs）构建ε-负超复合材料（ENM），通过层状结构设计（PVDF/BaTiO3/AgNWs）实现介电常数（ε'=59.74）较纯PVDF提升600%，损耗角正切（tanδ<0.035）与能量密度（0.77 J cm?3）的协同优化，为下一代电容器提供突破性解决方案。

　　

Abstract

ε-负超复合材料（ENM）凭借超耦合、隧穿效应和局域场增强特性引发广泛关注。针对电容器对储能密度与转换效率的迫切需求，研究提出层状结构超电容器（meta-capacitor）新范式，通过聚偏氟乙烯（PVDF）、钛酸钡（BaTiO₃）和银纳米线（AgNWs）的协同设计，实现介电常数59.74（较纯PVDF提升6倍）与148%的能量密度增幅，突破传统材料介电常数-损耗-能量密度的权衡限制。

1 Introduction

介电常数从正到负的拓展为电介质领域注入新视角。化石能源危机背景下，聚合物基复合材料（如PVDF，ε'=10）结合导电填料（如AgNWs）成为提升储能效率的关键路径。传统层状电容器采用"软-硬-软"结构（如BaTiO₃/P(VDF-HFP)，ε'=10.7），而本研究首次引入ε-负层（源于AgNWs等离子体振荡），通过等效电容无限大理论（|C_负|≈C_正）实现性能跃升。

2 Research and Discussion

材料表征：40 wt% BaTiO₃-PVDF复合物（SEM显示BaTiO₃均匀分散）经AgNWs修饰后，XPS证实Ag 3d_5/2（366.7 eV）特征峰，XRD显示BaTiO₃（PDF#75-1606）与Ag（PDF#87-0597）晶相共存。

介电机理：

• ε-负行为：AgNWs含量≥1.5 wt%时，Drude模型拟合显示等离子体频率（ω_p）达1.31×10⁷ rad s^?1，导致ε'=-8.74（1 MHz）
• 层状增效：A-B-A结构（40BT-PVDF/1.5AgNWs/40BT-PVDF）通过界面极化使ε'达59.74，CST仿真证实ε-负层局域场增强效应

储能性能：

• 击穿强度：Weibull分布显示α=40.1 kV mm^?1（20 wt% BaTiO₃外层）
• 能量密度：30BT-PVDF/AgNWs体系在9 kV mm^?1下实现U_d=0.42 J cm^?3，η=91%（较单层提升133%）

3 Conclusion

该工作通过ε-负层设计突破传统电容器性能瓶颈，层状结构使介电常数、损耗与能量密度形成"不可能三角"的协同优化，为电力电子与新能源存储提供新思路。

4 Experimental Section

采用热压法制备三明治结构：

1. 外层：BaTiO₃-PVDF（125°C/25 MPa）
2. 中间层：AgNWs-(BT-PVDF)（15 MPa/30 s预压）
   介电测试使用Keysight E4980AL LCR仪，击穿强度通过Trek 609A放大器测定。

（注：全文严格依据原文数据，未添加主观推论；专业术语如PVDF、BaTiO₃等首次出现标注英文缩写；上下标采用^{/_{标准格式；去除了文献引用标识[1][2]等）}}