DOI: 10.1016/j.cej.2021.131046

所设计的介电纳米复合材料的核壳纳米填料有望集成高相对介电常数（εr）和击穿强度（Eb）两大优势。然而，传统的核壳纳米填料存在两个主要缺点：（i）低εr壳层极大地限制了整个纳米填料的εr，以及（ii）核、壳材料间煅烧性能和晶格常数的差异会导致额外的缺陷，从而造成过早击穿。因此，在低填充量下很难显著提高放电能量密度（Ud）。本研究制备了由单一元素掺杂BaTiO3构成的核壳纳米纤维，作为填料。它们集成了相对较高的εr和Eb，有助于获得高Ud的介电纳米复合材料。与原始聚（偏氟乙烯）（PVDF）基质相比，具有2wt％聚多巴胺改性BZT15@BZT35纳米纤维（BZT15@BZT35@PDA_nfs）的单层纳米复合薄膜的Ud提高了64％。中间层中含2wt％纳米纤维的三明治纳米复合薄膜（PVDF/BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF/PVDF）提高了约100％。本文所提出的纳米填料设计策略可通过同轴静电纺丝轻松实现，并且可以借助三轴静电纺丝和其他多喷嘴静电纺丝方法进一步拓展。综上，本研究为开发低填充量的高能量密度聚合物纳米复合材料提供了宝贵的见解。

图1.（a）BZT15@BZT35@PDA_nfs的制备示意图；（b-c）电纺纳米纤维的横截面TEM图像；（d-e）BZT15@BZT35@PDA_nfs的TEM图像；（f）纳米纤维的XRD图谱。

图2.（a）单层和（b）三层BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF纳米复合薄膜的制备示意图；具有6wt％BZT15@BZT35@PDA_nfs的单层纳米复合薄膜的（c）表面SEM图像，（d）横截面SEM图像和（e-f）元素映射；中间层含有6wt％BZT15@BZT35@PDA_nfs的三层纳米复合膜的（g）表面SEM图像，（h）横截面SEM图像和（i-j）元素映射。

图3.（a）单层和（b）三层BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF纳米复合薄膜的XRD图。

图4.（a）单层和（b）三层BZT15@BZT35@PDA/PVDF纳米复合薄膜介电特性的频率依赖性；纳米复合薄膜在1kHz下的（c）介电常数和（d）介电损耗比较。

图5.（a）单层和（b）三层BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF纳米复合薄膜的威布尔图；（c）纳米复合薄膜的威布尔击穿强度和形状参数的比较。（d）纳米复合薄膜的电流密度。

图6.（a1-a2）单层和（b1-b2）三层BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF纳米复合薄膜中电位和电场分布的二维有限元模拟。

图7.单层和三层BZT15@BZT35@PDA_nf/PVDF纳米复合薄膜的储能特性：（a-b）D-E环；（c-d）放电能量密度；（e-f）放电效率。

图8.一些最近报道的纳米纤维增强介电纳米复合材料的储能性能比较。