Ultra High Energy Density Nanocomposite Capacitors with Fast Discharge Using Ba0.2Sr0.8TiO3 Nanowires

材料科学 纳米复合材料 电容器 电介质 复合材料 陶瓷 钛酸钡 介电常数 聚丙烯 纳米线 陶瓷电容器 光电子学 电压 电气工程 工程类
作者
Haixiong Tang,Henry A. Sodano
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (4): 1373-1379 被引量:447
标识
DOI:10.1021/nl3037273
摘要

Nanocomposites combining a high breakdown strength polymer and high dielectric permittivity ceramic filler have shown great potential for pulsed power applications. However, while current nanocomposites improve the dielectric permittivity of the capacitor, the gains come at the expense of the breakdown strength, which limits the ultimate performance of the capacitor. Here, we develop a new synthesis method for the growth of barium strontium titanate nanowires and demonstrate their use in ultra high energy density nanocomposites. This new synthesis process provides a facile approach to the growth of high aspect ratio nanowires with high yield and control over the stoichiometry of the solid solution. The nanowires are grown in the cubic phase with a Ba0.2Sr0.8TiO3 composition and have not been demonstrated prior to this report. The poly(vinylidene fluoride) nanocomposites resulting from this approach have high breakdown strength and high dielectric permittivity which results from the use of high aspect ratio fillers rather than equiaxial particles. The nanocomposites are shown to have an ultra high energy density of 14.86 J/cc at 450 MV/m and provide microsecond discharge time quicker than commercial biaxial oriented polypropylene capacitors. The energy density of our nanocomposites exceeds those reported in the literature for ceramic/polymer composites and is 1138% greater than the reported commercial capacitor with energy density of 1.2 J/cc at 640 MV/m for the current state of the art biaxial oriented polypropylene.
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