Ultrafine core-shell BaTiO3@SiO2 structures for nanocomposite capacitors with high energy density

材料科学 纳米复合材料 电介质 电容器 陶瓷 复合材料 纳米颗粒 储能 纳米结构 小型化 微观结构 纳米技术 光电子学 电压 电气工程 量子力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Ke Bi,Meihua Bi,Yanan Hao,Wei Luo,Ziming Cai,Xiaohui Wang,Yunhui Huang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:51: 513-523 被引量:373
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2018.07.006
摘要

Dielectric capacitors are irreplaceable energy-storage components in pulsed power systems, but the low energy density (Ue) of existing material systems restricts their miniaturization and further application. In this work, a novel polymer/ceramic nanocomposite is fabricated using core-shell BaTiO3@SiO2 ([email protected]) structures with a diameter less than 10 nm. Such ultrafine nanostructure not only provides a high insulating SiO2 layer to optimize the microstructure and dielectric response as normal core-shell structures, but also has almost tenfold larger interfaces than conventional 100 nm fillers to realize a high polarization, which can effectively improve the breakdown strength as well as the electrical displacement of the composite simultaneously. With a simple and universal 0–3 type structure, in which 0-dimentional nanoparticles are embedded in a 3-dimentional connected polymer matrix, the [email protected]/PVDF nanocomposite shows outstanding energy storage performance with Umax = 11.5 J/cm3 at 420 kV/mm. Experimental result and phase field simulation both confirm the superiority of the ultrafine nanostructures in enhancing the energy density of the dielectric nanocomposite, providing a new technological way for the design of high energy-density composites.
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