储能聚合物电介质导论

储能技术已成为全球关注的重要问题，主要包括化学储能技术和物理储能技术。在物理储能技术中，基于电介质材料的薄膜电容器物理储能技术越来越受到科技界的关注。本书主要从基础理论出发，重点介绍储能聚合物电介质及其聚合物复合电介质的设计、制备、结构与性能关系。本书共包括四个部分：第一部分（第1章）介绍基本概念、存在问题、重点研究内容及发展方向；第二部分（第2~6章）介绍储能电介质基本特性、基础理论及结构与性能的调控理论；第三部分（第7~10章）重点讨论储能电介质设计、制备及其结构与性能关系；第四部分（第11~13章）是第二、第三部分内容的延伸和提升，介绍获得高储能聚合物复合电介质的重要途径。本书适合能源互联网新能源技术、输配电新技术、脉冲功率技术、电磁弹射技术、优选电动汽车及现代重大科学研究计划等涉及物理储能薄膜电容器相关领域的科技工作者阅读，也可供高等院校、科研机构和相关企业从事储能电介质新材料和高储能薄膜电容器研究的教师、研究生、高年级本科生及企业研发人员等参考。

序一
序二
前言
第1章绪论1
1.1储能技术与储能电介质材料1
1.1.1储能技术1
1.1.2电能储存技术2
1.1.3储能电容器与储能电介质4
1.2储能电介质材料基础6
1.2.1电介质与绝缘材料6
1.2.2固体电介质性能基本参数7
1.2.3储能聚合物复合电介质特征13
1.2.4电介质储能过程与储能密度15
1.2.5储能聚合物复合电介质现状17
1.3储能聚合物复合电介质若干关键问题20
1.3.1介电性能参数解耦调控策略21
1.3.2介电性能与其他性能协同调控23
1.3.3储能薄膜规模化加工工艺与精细结构控制24
1.3.4复杂条件下储能薄膜电气性能与储能特性演化规律25
1.4储能聚合物复合电介质研究内容26
1.5本书内容安排27
参考文献27
第2章储能电介质基础理论35
2.1电介质电极化理论35
2.1.1偶极子与偶极矩35
2.1.2极性与非极性电介质36
2.1.3电极化与极化率37
2.1.4电极化与频率关系39
2.1.5电极化与温度关系46
2.1.6电极化与电介质损耗49
2.1.7介电数据分析工具——电模量50
2.2电介质电容特性与储能特性52
2.2.1电容特性理论52
2.2.2储能特性理论53
2.2.3电极化、电位移与储能特性54
2.3电介质充放电特性56
2.3.1充放电特性测试方法56
2.3.2电极化与电场关系58
2.3.3储能电介质放电行为60
2.3.4不同电介质的充放电特征65
2.4本章小结69
参考文献69
第3章聚合物介电特性基础理论72
3.1聚合物介电常数与介电损耗72
3.1.1聚合物结构特点72
3.1.2聚合物电极化78
3.1.3影响聚合物介电常数的因素83
3.1.4聚合物介电常数调控88
3.1.5聚合物介电松弛91
3.1.6聚合物介电谱94
3.1.7聚合物介电损耗调控97
3.2聚合物介质电导与击穿98
3.2.1聚合物介质电导机理98
3.2.2聚合物介质电击穿99
3.2.3聚合物介质热击穿100
3.2.4聚合物介质局部放电100
3.2.5聚合物介质电-机械击穿101
3.2.6聚合物介质树枝化击穿102
3.2.7聚合物介质结构与击穿关系103
3.2.8影响聚合物介质击穿电压的环境因素106
3.2.9改善聚合物介质耐压能力的方法106
3.3本章小结107
参考文献107
第4章储能聚合物电介质结构与性能109
4.1聚偏氟乙烯铁电聚合物111
4.1.1PVDF链构型与结晶相111
4.1.2PVDF介电性能113
4.1.3PVDF储能特性116
4.2P（VDF-TrFE）与P（VDF-TFE）共聚物118
4.2.1直接共聚制备P（VDF-TrFE）118
4.2.2氢化工艺制备P（VDF-TrFE）122
4.2.3P（VDF-TFE）结构与性能128
4.3PVDF基弛豫铁电聚合物129
4.3.1PVDF基三聚物129
4.3.2P（VDF-TrFE-DB）共聚物134
4.4PVDF基反铁电聚合物136
4.4.1PVDF和P（VDF-TrFE）反铁电行为136
4.4.2P（VDF-CTFE）-g-PS结构与性能137
4.4.3P（VDF-TrFE-CTFE）-g-PXMA结构与性能139
4.5储能线性聚合物电介质140
4.5.1非极性/弱极性聚合物电介质141
4.5.2极性聚合物电介质143
4.5.3改性PVDF基线性电介质145
4.6本章小结146
参考文献146
第5章储能复合电介质性能调控理论153
5.1复合电介质极化与损耗153
5.1.1并联复合电介质极化与损耗155
5.1.2串联复合电介质极化与损耗157
5.1.3均匀混合电介质极化与损耗158
5.1.4考虑电导串联复合介质充放电特性159
5.2有效介质理论163
5.3复合效应理论164
5.3.1低填充量时复合效应164
5.3.2高填充量时复合效应166
5.4逾渗效应理论170
5.4.1逾渗效应与介电性能170
5.4.2球形颗粒填充复合电介质特征171
5.4.3一维/二维颗粒填充复合电介质特征173
5.4.4逾渗效应连通型式174
5.5本章小结176
参考文献177
第6章储能复合电介质结构性能理论模拟179
6.1复合电介质多尺度模拟计算方法179
6.1.1有限元方法179
6.1.2相场模拟方法182
6.1.3分子动力学方法184
6.1.4蒙特卡罗方法187
6.1.5第一性原理计算方法189
6.2多尺度模拟在介电储能领域的应用191
6.2.1微结构模拟与性能预测191
6.2.2微观机理与宏观性能耦合分析197
6.2.3材料设计及性能优化201
6.3介电材料基因工程与高通量筛选205
6.4本章小结206
参考文献207
第7章储能聚合物复合电介质设计与制备209
7.1填充相分散与分布特征模型209
7.1.1串并联模型209
7.1.2考虑填料形状修正的Maxwell-Garnett方程210
7.2聚合物复合电介质多尺度结构特征211
7.2.1填料纳尺度211
7.2.2界面微尺度218
7.2.3断面显微结构220
7.3聚合物复合电介质结构设计与制备221
7.3.1随机分散两相与三相复合电介质221
7.3.2取向分散复合电介质222
7.3.3阵列结构复合电介质223
7.3.4多层结构复合电介质225
7.4聚合物复合电介质固相法制备工艺228
7.4.1直接共混制备228
7.4.2熔融混合制备229
7.4.3多层共挤制备230
7.5聚合物复合电介质液相法制备工艺231
7.5.1溶液法制备231
7.5.2原位聚合制备232
7.6储能聚合物复合电介质与规模化加工工艺233
7.7本章小结233
参考文献234
第8章介电陶瓷颗粒/聚合物储能复合电介质239
8.1介电陶瓷颗粒/聚合物复合电介质特征239
8.2复合电介质介电性能的频率和温度依赖性240
8.2.1介电性能频率依赖性240
8.2.2介电性能温度依赖性243
8.3复合电介质介电性能与组成依赖性247
8.3.1陶瓷颗粒组成及其影响248
8.3.2陶瓷颗粒填充量的影响251
8.4复合电介质介电性能与填充颗粒尺度依赖性255
8.4.1超细尺寸纳米颗粒255
8.4.2纳米尺度颗粒260
8.4.3微纳尺度共填充263
8.5复合电介质介电性能与填充颗粒形貌依赖性265
8.5.1零维球形颗粒266
8.5.2一维线/棒颗粒267
8.5.3二维片状颗粒269
8.6其他因素对介电储能特性影响271
8.6.1复合材料制备工艺差异性271
8.6.2填料与基体界面性能差异性272
8.6.3特殊结构陶瓷填料272
8.7介电陶瓷颗粒/聚合物复合电介质储能特性274
8.8本章小结275
参考文献276
第9章导电颗粒/聚合物储能复合电介质283
9.1导电颗粒/聚合物复合电介质特征283
9.2复合电介质介电性能的频率和温度依赖性284
9.2.1介电性能频率依赖性285
9.2.2介电性能温度依赖性285
9.3复合电介质介电性能与组成依赖性287
9.3.1导电填料种类及其影响287
9.3.2导电填料含量影响289
9.4复合电介质介电性能与填料电导率依赖性292
9.4.1介电常数的电导率依赖性292
9.4.2介电损耗的电导率依赖性294
9.5复合电介质介电性能与填料形貌依赖性295
9.5.1零维球形颗粒295
9.5.2一维线/棒颗粒297
9.5.3二维片状颗粒307
9.6导电颗粒/聚合物复合电介质储能特性312
9.7本章小结313
参考文献314
第10章储能全有机复合电介质320
10.1全有机复合电介质特征320
10.2有机介电填料/聚合物复合电介质321
10.2.1物理直接共混型电介质321
10.2.2化学接枝复合型电介质324
10.2.3增容偶联复合型电介质326
10.3有机导电填料/聚合物复合电介质329
10.3.1导电球形有机填料330
10.3.2导电线棒形有机填料333
10.4聚合物共混复合电介质335
10.4.1热塑性/热塑性复合电介质335
10.4.2弹性体/热塑性复合电介质341
10.5全有机复合电介质储能特性344
10.6本章小结345
参考文献345
第11章核壳结构填料/聚合物储能复合电介质348
11.1聚合物复合电介质界面模型348
11.1.1界面基本特征348
11.1.2Lewis双层介电模型350
11.1.3Tanaka多核介电模型351
11.2核壳结构功能填料设计与制备352
11.2.1无机壳层353
11.2.2有机壳层357
11.3核壳结构功能填料对复合电介质性能影响361
11.3.1对介电性能影响362
11.3.2对击穿电场影响366
11.3.3对充放电效率和放电能量密度影响368
11.4本章小结371
参考文献371
第12章储能聚合物基三相复合电介质377
12.1三相复合电介质特征377
12.2双功能颗粒/聚合物三相复合电介质380
12.2.1介电相-导电相/聚合物复合电介质380
12.2.2介电相-介电相/聚合物复合电介质395
12.3单功能颗粒/双聚合物三相复合电介质398
12.3.1介电相颗粒/双聚合物复合电介质401
12.3.2导电相颗粒/双聚合物复合电介质401
12.4全有机三相复合电介质406
12.5本章小结409
参考文献409
第13章特异结构储能聚合物复合电介质414
13.1取向结构储能聚合物复合电介质414
13.1.1机械拉伸取向414
13.1.2电磁场作用取向419
13.1.3诱导生长取向421
13.2三维网络结构储能聚合物复合电介质423
13.3多层结构储能聚合物复合电介质425
13.3.1高耐压中间层425
13.3.2高介电中间层427
13.3.3梯度层状结构428
13.4分级结构储能聚合物复合电介质429
13.4.1草莓状分级结构功能填料429
13.4.2花瓣状分级结构功能填料433
13.4.3球棒结合分级结构功能材料434
13.5本章小结436
参考文献437