Ultrafast Discharge and High-Energy-Density of Polymer Nanocomposites Achieved via Optimizing the Structure Design of Barium Titanates

材料科学 纳米复合材料 电介质 钛酸钡 纳米纤维 电容器 高-κ电介质 复合材料 聚合物纳米复合材料 功率密度 聚合物 纳米结构 纳米技术 光电子学 电压 量子力学 物理 功率(物理)
作者
Zhongbin Pan,Lingmin Yao,Jiwei Zhai,Ke Yang,Bo Shen,Haitao Wang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:5 (6): 4707-4717 被引量:106
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.7b00080
摘要

Electrostatic capacitors have been applied into high-power-density pulsed power systems comprising moderate energy density and ultrafast charging/discharging in the order of magnitude with a few milliseconds. In this article, different BaTiO3 nanostructures (e.g., nanoparticles, nanofibers, nanotubes, core–shell structure nanofibers) were synthesized and used to prepare polymer composite films in the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) matrix. The effects of BaTiO3 nanostructures on the dielectric constant, dielectric loss, alternating current conductivity, breakdown strength, energy density, and mechanical properties of nanocomposites were investigated systematically. The largest dielectric constant of 17.14 was found in the 4 vol % BaTiO3 nanotube/PVDF nanocomposites. The BaTiO3@Al2O3 nanofiber/PVDF nanocomposites show the highest energy density of 12.37 J cm–3 at 450 MV m–1, ultrafast discharge speed (0.32 μs), and good mechanical properties. This article could open up a convenient and effective way for practical application of power pulsed capacitors by tuning the filler nanostructure into polymer nanocomposites.
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