聚丙烯薄膜電容器具有擊穿強度高、功率密度大、介質損耗小、自愈性好等優點，已廣泛應用于脈沖功率系統中。然而，由于介電常數過低（約為 2.2），目前商用聚丙烯電介質的儲能密度小于2 J cm3，嚴重制約了薄膜電容器的小型化發展及大規模應用。將具有高介電常數的無機納米顆粒填充到聚丙烯基體中，能夠提高聚丙烯復合電介質的介電常數，但由于基體和填料的界面相容性差，納米填料易團聚，導致介電常數提高的同時往往伴隨著擊穿場強的降低，儲能密度提升有限。
針對以上難題，我院固廢利用與高性能陶瓷研究團隊馮培忠教授和李世恒博士，提出將非極性的亞10納米氧化鈦納米顆粒作為填料制備聚丙烯復合電介質，系統研究了非極性納米顆粒對聚丙烯電介質極化和擊穿的協調調控機制。氧化鈦納米晶是在非極性溶劑中合成，在初始成核階段，三辛基氧膦即共價吸附在其表面，這些分子配體一方面體能夠提高填料與聚丙烯基體的相容性，另一方面能夠抑制填料之間的團聚；其次，與聚丙烯相比，三辛基氧膦具有更低的最低未占分子軌道和最高占據分子軌道，這一特性使得三辛基氧膦能夠作為電勢陷阱，捕獲電荷，從而提高聚丙烯復合材料的擊穿場強并抑制介電損耗；此外，這種亞10納米的納米填料具有極大的比表面積，能夠增加界面極化，提高介電常數，實現介電常數和擊穿場強的同步增強。該復合電介質在600 MV m−1的場強下，具有4.19 J cm−3的放電能量密度，與純聚丙烯薄膜相比，增幅高達74.9%。相關成果以“Nonpolar sub-10 nm TiO2 nanocrystal for high energy density polypropylene nanocomposites”為題發表在期刊《Nano Energy》上，我院李世恒老師為第一作者，我院馮培忠教授、蔡子明副教授以及南京大學魯振達教授為共同通訊作者。
圖1. 基于非極性氧化鈦納米晶的聚丙烯復合電介質示意圖及其儲能性能