近日，国际能源顶级期刊Nano Energy (IF: 15.54)在线发表了课题组关于聚偏氟乙烯(PVDF)基复合材料的最新研究进展“Ultra-high discharged energy density in PVDF based composites through inducing MnO₂ particles with optimized geometric structure”。课题组博士生赵秋莹和河海大学力学与材料学院讲师杨路为论文第一作者，南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室为论文第一通讯单位。

介电聚合物电容器具有功率密度高、充放电效率高、循环稳定性好、可过度放电存储及柔韧性好等特点，是现代电子电力设备不可或缺的部件之一。虽然介电聚合物电容器具有上述优点，但与其他电能储能器件，如电池、超级电容器等相比，其能量密度仍处于较低水平。例如，目前商用的聚丙烯（BOPP）电介质聚合物，其储能密度仅为1~2 J /cm^3。因此，在电子电力系统中，往往需要大量体积的电容器来弥补能量密度不足的问题，如脉冲功率系统中，电容器体积占据了25%以上。若介电聚合物电容器的能量密度能够提升到与电化学超级电容器能量密度相当，则能大幅拓宽其在脉冲领域中的应用范围，满足电子电力系统小型化发展需求。同时，发展高储能密度聚合物电容器还能有效解决环境污染及能源效率低的问题，有望应用于电子电力领域医疗振动发生器、混合动力汽车等领域，具有重大的研究意义及实际应用价值。

二氧化锰(MnO₂)以其低成本、绿色环保和高理论比电容的优势广泛应用于高性能超级电容器中。作为一种复杂的过渡金属氧化物，MnO₂由锰氧八面体组成。依据锰氧八面体间的共用方式，MnO₂可构成独特一维隧道纳米结构。该工作首次将MnO₂应用于以PVDF为代表的电介质聚合物的储能性能的研究中，利用MnO₂这种独特的一维隧道结构及半导体电学特性，加深了PVDF复合材料内部俘获电荷的陷阱深度，大幅降低了材料的漏电流密度和导电损耗，保证了复合材料的高击穿场强；同时，MnO₂与PVDF良好的界面相容性以及MnO₂的一维隧道结构可大幅促进复合材料的空间电荷极化和界面极化，进而显著提高了电位移(D及可释放储能密度(Ue)。

在此基础上，该工作通过调控及优化MnO₂的几何结构，进一步提升了复合薄膜的储能性能，使其可释放储能密度可高达24.5J/cm^3 (350MV/m)，与电化学超级电容器能量密度相当，并且其功率密度可达到1.98MW/cm^3 (200MV/m)，是纯PVDF的两倍多。该研究提出了一种高性能介电复合材料的设计，验证了MnO₂在介电储能领域的应用，为开辟新型介电复合材料，发展高储能密度聚合物电容器提供了思路。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519307141