聚丙烯薄膜电容器具有击穿强度高、功率密度大、介质损耗小、自愈性好等优点，已广泛应用于脉冲功率系统中。然而，由于介电常数过低（约为 2.2），目前商用聚丙烯电介质的储能密度小于2 J cm3，严重制约了薄膜电容器的小型化发展及大规模应用。将具有高介电常数的无机纳米颗粒填充到聚丙烯基体中，能够提高聚丙烯复合电介质的介电常数，但由于基体和填料的界面相容性差，纳米填料易团聚，导致介电常数提高的同时往往伴随着击穿场强的降低，储能密度提升有限。
针对以上难题，我院固废利用与高性能陶瓷研究团队冯培忠教授和李世恒博士，提出将非极性的亚10纳米氧化钛纳米颗粒作为填料制备聚丙烯复合电介质，系统研究了非极性纳米颗粒对聚丙烯电介质极化和击穿的协调调控机制。氧化钛纳米晶是在非极性溶剂中合成，在初始成核阶段，三辛基氧膦即共价吸附在其表面，这些分子配体一方面体能够提高填料与聚丙烯基体的相容性，另一方面能够抑制填料之间的团聚；其次，与聚丙烯相比，三辛基氧膦具有更低的最低未占分子轨道和最高占据分子轨道，这一特性使得三辛基氧膦能够作为电势陷阱，捕获电荷，从而提高聚丙烯复合材料的击穿场强并抑制介电损耗；此外，这种亚10纳米的纳米填料具有极大的比表面积，能够增加界面极化，提高介电常数，实现介电常数和击穿场强的同步增强。该复合电介质在600 MV m−1的场强下，具有4.19 J cm−3的放电能量密度，与纯聚丙烯薄膜相比，增幅高达74.9%。相关成果以“Nonpolar sub-10 nm TiO2 nanocrystal for high energy density polypropylene nanocomposites”为题发表在期刊《Nano Energy》上，我院李世恒老师为第一作者，我院冯培忠教授、蔡子明副教授以及南京大学鲁振达教授为共同通讯作者。
图1. 基于非极性氧化钛纳米晶的聚丙烯复合电介质示意图及其储能性能
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109237
