Enhanced energy density in sandwich-structured P(VDF-HFP) nanocomposites containing Hf0.5Zr0.5O2 nanofibers

纳米复合材料 材料科学 纳米纤维 复合材料 静电纺丝 聚合物 陶瓷 聚合物纳米复合材料 介电常数 电场 电介质 光电子学 物理 量子力学
作者
Haiyan Chen,Yuan Liu,Mingyang Yan,Lin Tang,Hang Luo,Xi Yuan,Dou Zhang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:436: 131123-131123 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.131123
摘要

Ceramic/polymer composites with high energy density attract great interest due to their application in micro-electric power systems. However, the large permittivity mismatch between ceramic fillers and polymer matrix will largely decrease the breakdown strength and energy density of nanocomposites. Herein, one-dimensional Hf0.5Zr0.5O2 nanofibers (HZO-NFs) with very low permittivity were proposed as the loading fillers in poly (vinylidene fluoride - hexafluoro propylene) (P(VDF-HFP)) copolymer for energy-storage applications for the first time via a simple scalable method of electrospinning technique. P(VDF-HFP) nanocomposites with 3 wt% HZO-NFs (3 wt% HZO/P) showed a high discharged energy density (Ud) of 13.68 J/cm3 with a high breakdown strength (Eb) of 508.66 kV/mm. Sandwich-structured P-3 wt% HZO/P-P nanocomposite achieved an excellent Ud of 21.63 J/cm3 and a high η of ∼ 65.68% at ultrahigh Eb of 706.71 kV/mm, which are much higher than those of the commercial BOPP, i.e. 2 J/cm3 at 640 kV/mm. Moreover, the COMSOL simulations revealed that the introduction of 1D nanofibers and charge traps could effectively improve the local distribution of electric field, and finally increased the breakdown strength. The major contribution to the improved Ud originates from the large breakdown strength (4 ∼ 8 MV/cm), because of the large band width of HZO and the existence of multi-interfaces. This work can provide a new perspective for promoting the performance of polymer nanocomposites.

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