薄膜电容器具有高储能功率、充放电速度快、长寿命以及安全性的特点，在先进的电力电子系统中引起了极大的关注，在电磁能装备，新能源汽车，风光发电并网等具有众多应用。目前，商用双向拉伸聚丙烯（BOPP）由于其介电常数较低（2.2），其储能密度仅1-2 J·cm⁻³，制约了设备的小型化与集成化。此外，介电常数与击穿强度一般存在倒置关系。因此，如何在保持高击穿强度的同时获得高介电常数面临着很大挑战。

近日，华北电力大学樊思迪团队提出利用静电纺丝技术实现二维MBene纳米片在聚醚酰亚胺（PEI）基体内阵列排布。MBene-PEI在1 kHz下介电常数提升至10.7，并且tanδ < 0.0074。MBene-PEI阵列排列模式在提升介电常数的同时，最大限度的抑制了高温泄流电流的产生。MBene-PEI薄膜在室温下具有8.03 J·cm⁻³的放电密度，在150°C下放电密度达到5.32 J·cm⁻³，且充放电效率超过90%。此外，这种阵列排布模式还有利于提升机械强度。相关成果以“In-plane aligned doping pattern in electrospun PEI/MBene nanocomposites for high-temperature capacitive energy storage”为题发表在Materials Horizons期刊上。

图1 静电纺丝调控MBene-PEI结构分布

(Mo2/3Y1/3)2AlB2 (MAB)块体材料通过刻蚀和层离法获得二维Mo4/3B2 (MBene)纳米片，通过改变静电纺丝收集器的转速来调控二维MBene的分布情况，利用高转速获得阵列排布的二维MBene-PEI复合结构，低转速获得无序排布二维MBene-PEI复合结构。

图2 MBene-PEI聚合物材料的SEM与TEM

利用SEM确认聚合物材料中纳米纤维的分布状态，通过减薄处理后利用TEM可清楚看到二维MBene在PEI集体中的排布状态，高分辨TEM中可清晰分辨MBene与PEI基体的界面。

图3 MBene/PEI聚合物材料的介电特性

二维MBene的加入由于Maxwell-Wagner-Sillars (MWS)极化效应极大的提升了复合材料的介电常数。该极化效应源于填料（导体）和基体（绝缘体）相之间固有的电性能差异，导致电荷在填料-基体界面处积累。当施加电场时，这些电荷载体呈现定向移动，最终导致介电常数增加。此外，二维MBene具有较大的表面积，有利于进一步提升界面极化效应。具有阵列列排布结构的MBene-PEI聚合物依然保持了较低的介损。

图4 MBene-PEI聚合物材料的介电储能性能

具有阵列排布结构的MBene-PEI聚合物由于孤岛效应泄露电流得到较好的抑制，同时在常温和高温下保持了较高的击穿场强。在常温下阵列结构的MBene-PEI储能密度达到8.03 J·cm⁻³，在150°C时的储能密度仍达到5.32 J·cm⁻³，甚至超过了PEI在室温下的储能密度。这归因于MBene-PEI具有较高的介电常数和击穿场强。同时，其较小的介电损耗和受到抑制的漏电流有助于降低放电过程中的能量损耗率，从而确保高放电密度和效率。

综上所述，我们报道了通过阵列排布模式实现的具有超高放电效率和能量密度的MBene-PEI复合薄膜。在放电效率大于90%的条件下，A-MBene/PEI薄膜在室温下展现出8.03 J·cm⁻³的储能密度，在150°C时仍能保持5.32 J·cm⁻³的储能密度，这不仅归因于二维MBene纳米片的引入，还归因于其高度有序的取向。首先，MBene填料诱导了MWS界面极化，从而大幅提高了介电常数。其次，由于采用了面内对齐掺杂模式，MWS界面极化的矢量叠加达到最大化，导致整体极化显著提高，进而使介电常数随之升高，同时抑制介电损耗。与R-MBene/PEI相比，A-MBene/PEI在1 kHz下的介电常数提高了25.9%，介电损耗降低了40.3%。MBene填料呈现均匀分散状态，无连接网络，有效消除了形成连续漏电流路径的风险，并有助于电场均匀化。因此，A-MBene/PEI保持了PEI原本的高击穿场强。此外，有序排列的MBene填料在增强机械性能方面也具有优势。该工作创新性地设计其二维导体有序排列模式，为提升聚合物薄膜的介电常数提供了独特方案，该方法为制造适用于高性能柔性储能应用的介电薄膜提供了新策略。

文章链接：

https://doi.org/10.1039/D4MH01613K