近日，材料科学与工程学院杨海波教授团队，在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（IF：18.5）上发表了题为“Ultrahigh Dielectric Energy Density and Efficiency in PEI-based Gradient Layered Polymer Nanocomposite”的研究论文。我校杨海波教授、林营教授、袁启斌副教授和西安交通大学王轶飞副教授为文章共同通讯作者，材料学院博士生党祯儿为文章第一作者，陕西科技大学为第一通讯单位。
五层梯度结构PEI基纳米复合材料的设计、物相形貌表征、电树击穿模拟和介电储能性能
随着世界人口和能源消耗的不断增加，人类社会的可持续发展正面临着全球变暖、环境污染、化石燃料资源枯竭等诸多问题的严重威胁。因此，开发环境友好的新能源和先进的能源转化与储存技术已成为全球能源革命的主导方向和一致行动。聚合物基储能复合材料具有柔韧性好、击穿场强高、体积小、重量轻、成本低、制备工艺简单等优点，在电力系统和电子工业中引起了广泛的关注。但耐高温性能较差，不能满足航空航天、新能源电动汽车等特殊领域的应用需求。随着电力电子设备的小型化和集成化，其产生的热量呈指数级增长，柔性电子设备的快速发展也对高温聚合物基储能复合材料产生了巨大的需求。
鉴于此，陕西科技大学杨海波教授团队设计制备了一种五层梯度结构聚合物基纳米复合材料，两外层为氮化硼纳米片（BNNSs）/聚醚酰亚胺（PEI）复合层，中间三层为钛酸钡纳米颗粒（BaTiO3 NPs）/PEI复合层，BaTiO3 NPs的粒径从上到下分别为500 nm、200 nm和100 nm，实现了室温及高温下储能密度和储能效率的协同提升。
研究团队选择具有高击穿场强、优异耐高温性能的PEI作为聚合物基体。BNNSs/PEI复合层作绝缘外层，能够有效降低漏电流，提高散热能力，从而提高击穿场强和储能效率。BaTiO3 NPs/PEI复合层作三个极化中间层能够提高介电常数和储能密度。与调控填料体积分数不同，通过从上到下减小粒径设计多级梯度结构可赋予较高的界面极化，促进电场均匀分布并形成界面阻挡效应，同时还可以避免填料团聚并降低损耗。梯度结构形成的连续梯度电场分布可以明显抑制电树生长并提高击穿场强，使纳米复合材料在高储能效率下保持高储能密度。梯度电场的构建并不需要复杂的手段，只需要调控极化层中BaTiO3 NPs的粒径。五层梯度结构PEI基纳米复合材料具有16.38 J·cm-3的高储能密度和97.79%的高储能效率，远远超过以前报道的聚合物基纳米复合材料。此外，该纳米复合材料还表现出良好的高温储能性能，在150 ℃下实现7.36 J·cm-3的储能密度和83.12%的储能效率。
五层梯度结构PEI基纳米复合材料的设计、物相形貌表征、电树击穿模拟和介电储能性能
这种梯度层状结构设计为开发具有优异储能性能的聚合物基高温介电材料提供了一种有效策略，也可以扩展到其他功能复合材料中。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406148
新闻小贴士：
杨海波，二级教授，博士生导师，新加坡国立大学博士后，中国高等教育学会教学研究分会理事，教育部本科教育教学审核评估专家，陕西省工科类学科评议组成员，陕西省高等学校教学指导委员会委员，陕西省特支计划教学领军人才，陕西省教学名师，陕西省中青年科技创新领军人才，首届陕西省杰青，校友会2023年中国高贡献学者，英国皇家化学学会2021 Top 1%高被引中国作者。以第一作者或通讯作者在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等国内外学术期刊上发表论文100余篇，其中ESI热点论文5篇、ESI高被引论文17篇。先后主持国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金面上项目（3项）、陕西省杰出青年科学基金、教育部留学归国人员科研启动基金等科研项目20余项。以第一完成人荣获国家级教学成果二等奖、陕西省教学成果一等奖、陕西省自然科学二等奖。
（核稿：王卓 编辑：刘倩）
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