柔性纤维素/氮化硼高温介电储能膜的结构调控与高储能密度机理研究

Nowadays, energy, resource, and environment have become the biggest problems on earth. Development of simple, efficient, and environment-friendly pathway to prepare flexible high-temperature dielectric materials from natural polymer is in great demand. Therefore, flexible cellulose/hexagonal boron nitride (h-BN) nanocomposite films with high discharged energy density and breakdown strength at high temperature are prepared in this project. The exfoliation mechanism of h-BN in aqueous cellulose solution will be investigated and the control technique for structure of single or fewer-layer h-BN nanosheets (BNNS) will be established. The relationships among molecular orientation, interface interaction, and characteristics of cellulose and h-BN, and the preparation pathway will be investigated. The scientific laws among structures, composite process, and dielectric properties for energy storage of cellulose/h-BN will be clarified. Through the study of the dielectric properties at different temperatures and thermal conductivity of the composites, we will shed lights on the high-temperature dielectric energy storage mechanism. The theory model and control technique for relations among structures, molecular orientation, interface interaction of cellulose and h-BN will be established. This project will provide both theoretical and technical supports for the structure design, preparation and application of natural polymer-based high-temperature energy storage films with high energy density.

能源、资源与环境是当今世界面临的最大问题，寻求简单有效、绿色环保的方法开发出高储能密度的柔性天然高分子基高温介电储能材料具有重要意义。本项目拟将纤维素与氮化硼复合制备出击穿场强高的柔性耐高温高储能密度纳米复合膜。研究氮化硼在纤维素水系溶液中的剥离机理，建立结构可控的单层或少层氮化硼纳米片的调控技术；研究纤维素/氮化硼纳米复合材料的分子取向、界面相互作用与纤维素、氮化硼的特性和复合材料制备工艺之间的关系；阐明纤维素/氮化硼结构、复合工艺和介电储能性能之间的科学规律；研究复合材料在不同温度下的介电性能和导热性，洞悉复合膜耐高温机制。建立纤维素和氮化硼的结构、分子取向、界面相互作用与复合材料介电性能关系的理论模型和调控技术。该项目将为高介电储能密度的天然高分子基高温储能膜的设计、制备和应用提供科学理论和实用技术。

能源、资源与环境是当今世界面临的最大问题，寻求简单有效、绿色环保的方法开发出高储能密度的柔性天然高分子基介电储能材料具有重要意义。本项目以再生纤维素代替传统的石油基聚合物为基体，应用于介电材料领域，研究再生纤维素及其复合材料的介电性能。通过分别与剥离的氮化硼纳米片和高介电常数的钛酸钡陶瓷进行复合，提高复合膜的击穿强度和介电常数来提高再生纤维素复合膜的储能密度。分别以不同分子量和浓度的纤维素为原料进行溶解，以不同的再生浴、干燥条件制备出不同结构的纯再生纤维素膜，对其进行了介电性能测试研究，阐明了结构与性能之间的关系。直接利用NaOH/尿素/水体系超声剥离六方氮化硼制备氮化硼纳米片，再在同一混合分散液中溶解纤维素制备再生纤维素/氮化硼复合膜。结果表明复合膜具有规整的二维层状结构，良好的热稳定性。随着氮化硼的加入介电常数和介电损耗都有所下降，但击穿强度得到明显提高。高温介电结果表明，对比于纯再生纤维素膜，复合膜的介电性能具有优异的热稳定性。另外，以钛酸钡纳米颗粒与钛酸钡纳米纤维作为填料与再生纤维素进行复合，研究填料形貌和含量与复合材料的介电性能之间的关系。结果表明钛酸钡填料可以提高纤维素膜的介电常数与击穿强度，但在含量过多时，会团聚破坏复合膜结构。利用多巴胺改性钛酸钡纳米纤维，再与纤维素进行复合制备复合膜。多巴胺包覆改性后的钛酸钡纳米纤维在NaOH/尿素水溶液体系分散的更均匀，制备的复合材料具有优异的介电性能。这些结果和发现对于高介电储能密度的天然高分子基储能膜的设计、制备和应用都有重要的理论价值和实际意义。