哈尔滨理工大学能源动力硕士学位论文
基于三明治结构各层协同优化设计的P(VDF-TrFE-
CFE)基复合介质储能性能研究
摘要
全球能源需求不断增长，转向绿色低碳可再生能源的发展已成为迫切所需，
先进储能技术得到了快速发展。其中，介质电容器因具有高功率密度和可靠性
而备受青睐。介质电容器在高脉冲功率技术和混合动力汽车等领域的应用已经
相当广泛，为推动绿色能源发展发挥着重要作用。然而，聚合物介质电容器的
能量密度较低，在一定程度上限制了其进一步应用的范围。尤其是在需要电容
要求较高的小型封装器件中，由于能量密度较低，聚合物介质电容器可能无法
满足需求。因此，开发具有高能量密度的聚合物介质电容器具有重要的现实意
义和工程应用价值。
聚合物电介质材料的储能密度大小与其相对介电常数和击穿强度两个因素
密切相关，但通常情况下，影响相对介电常数的极化强度和击穿强度两者往往
不可兼得。为了缓解两者的强耦合关系，本文设计了一种基于聚（偏氟乙烯-
三氟乙烯-氯氟乙烯）（PVTC）的三明治夹层结构复合薄膜，通过优化绝缘层
和极化层协同提升聚合物薄膜的击穿强度和极化强度进而提升聚合物薄膜的储
能密度。
首先研究了三明治夹层结构中用于提升极化性能的极化层。采用改进的静
电纺丝方法制备了壳层为氧化铝（AlO），内核为钛酸钡（BaTiO）的核壳结
233
构纳米纤维BT@AONFs，经多巴胺（PDA）表面修饰后将其引入到基体
PVTC中，通过调节核壳填料在基体中的质量分数制备了一系列
BT@AO@PDANFs/PVTC复合介质薄膜。测试结果表明，3wt.%
BT@AO@PDANFs/PVTC复合介质薄膜表现出最好的极化性能，最大电位移
22
（D）从原始PVTC的4.61μC/cm增加到6.38μC/cm,并且相应的放电能量
max
33
密度U达到了9.38J/cm，相较于纯PVTC的4.52J/cm提升了107.5%。
d
随后研究了三明治夹层结构中用于提供绝缘性能的绝缘层。采用有机共混
的方式将线性聚合物PMMA引入到基体PVTC中，通过调节线性聚合物
PMMA的共混比例探究其对复合介质薄膜性能的影响。测试结果表明，PMMA
-I-
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质量分数为25%的PMMA/PVTC全有机共混薄膜在保证极化性能的同时击穿性
能得到了显著提升，从原始PVTC的318.9kV/mm提升到了446.4kV/mm，并
3
且放电能量密度U也提升至6.48J/cm。
d
最后基于上述极化层和绝缘层的研究结果，采用3wt.%BT@AO@PDA
NFs/PVTC复合介质薄膜以及25wt.%PMMA/PVTC全有机共混薄膜分别作为
极化层（P层）与绝缘层（B层），设计了正反三明治夹层结构复合介质薄膜；
测试结果表明，正反三明治结构复合介质薄膜的击穿强度与储能密度均得到了
有效提升；其中，性能最佳的正三明治结构（B-P-B）复合介质薄膜在562.7
3
kV/mm的击穿场强下达到了17.25J/cm的高放电能量密度以及68.2%的充放电
效率，并且在经过50000次