近日，我校电子信息学院智能传感器和微系统教育部工程中心王高峰教授团队研究生朱成龙以第一作者第一单位在Chemical Engineering Journal(影响因子：13.273)上发表题为“Enhanced energy storage performance of polymer nanocomposites using hybrid 2D ZnO@MoS2 semiconductive nano-fillers.”的研究论文(DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132676)。我校电子信息学院研究生周炳、汶飞副教授、李丽丽副教授、吴薇教授、王高峰教授、MIT张麟研究员和伍伦贡大学韩朝、李维杰、岳增记、张树君为共同作者。其中，汶飞副教授和朱成龙为共同第一作者，我校李丽丽副教授、张麟研究员和张树君教授为共同通讯作者。
作为电力、电气及电子信息系统中最重要的电子元器件之一，薄膜电容器被广泛应用于电路中实现隔直通交、耦合、旁路、滤波、能量转换及控制等功能。与电池、电化学电容器等相比，薄膜电容器具有使用电场强度高、电能释放速度快、功率密度高等特点，尤其适用于需要在短时间内释放出大量电能的放电电容器。高温薄膜电容器已广泛应用于众多领域，例如混合动力汽车，智能电网和脉冲电源中的储能组件。
图1 薄膜电容器的应用
双轴取向聚丙烯(BOPP)是薄膜电容器中最常用的商用聚合物，由其制成的薄膜电容器具有高能量效率，但是，较低的介电常数使其储能密度相对较低，已经难以满足这些系统对高能量密度的需求。近年来，科学家通过改性极性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,将PVDF基聚合物的储能密度提高到17 J/cm3。而在实际应用中，从功耗和安全的角度考虑，薄膜电容器不仅需要具备优越的电性能，还要求电介质材料可以在低电场下获得较高的储能密度和效率。
该项工作以杂化二维半导体纳米填料(ZnO@MoS2)作为研究对象，研究MoS2在复合填料中的含量对储能性能的影响。二维材料在击穿过程中可以作为导电屏障，限制电荷的迁移，阻碍电树枝化的扩展，特别是二维半导体材料(MoS2)还具有明显的带隙和电场可调的介电常数。因此，通过超声混合法制备了不同比例的ZnO@MoS2纳米填料。研究发现，杂化填料可以有效地改善材料的介电性能、击穿电场和储能性能，同时指出少量添加物不容易影响材料的击穿电场等性能，但能有效改善复合材料的介电性能和极化性能。此外，相比于简单物理混合填料(ZnO-MoS2)，杂化填料(ZnO@MoS2)不仅可以在保持相近低损耗的情况下提高介电常数，还可以降低导电沟道击穿的可能性。
图2 ZnO@MoS2复合薄膜制备流程图
图3 ZnO@MoS2复合薄膜实物图和SEM图像
本文通过溶液浇铸法制备了不同填料质量分数的P/ZnO@MoS2复合薄膜。研究发现，当填料中MoS2含量小于2 wt.%时，击穿场强下降很少；高于2 wt.%时，击穿场强小于纯基体的70%，表明只有MoS2含量(2 wt.%)适量时，形成的ZnO@MoS2杂化结构可以有效地抑制载流子的运动，同时降低交流电导率以维持较高的击穿场强。通过P-E loop和储能测试，2 wt.% P/ZnO@MoS2复合薄膜在300 MV/m下具有7.2 J/cm3的高能量密度，比纯PVDF聚合物的储能密度高70%，并且其效率高达83%，使这种纳米复合材料有望成为储能领域的候选材料。
该研究工作受浙江省科技厅的重点研发计划项目和自然科学基金的支持。
图4 室温下2 wt% P/ZnO@MoS2样品和所选材料在300 MV/m下的储能性能