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最新研发进展评述

多样化和规模化储能技术在电力系统中的广泛应用将成为未来智能电网发展的一个必然趋势。介质电容器以及超级电容器储能是适于电网规模储能的主要物理储能技术，具有良好发展前景和广阔应用前景。利用高介电常数和高介电强度材料作为全固态储能介质的电容器具有微秒甚至纳秒级充放电速度、高功率密度、工作温度范围宽以及安全性好等优点，在智能电网调频、新能源汽车以及电磁能武器等系统中都是核心部件。目前国际上工程用薄膜介质高储能电容器主要用于脉冲功率电磁能武器，知名厂商是美国通用原子系统公司(General Atomics)，其电容器最大储能密度仅为3-5J/cm3，最大循环次数可达1011次。这类工程用商品电容器目前储能密度较低的主要原因仍然是受制于双轴拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜的物理性质(2.4J/cm3，约2.7kJ/kg)，因此美国军方非常重视新型薄膜介质材料的应用基础研究。基于储能密度理论，对于普通电介质材料而言，其相对介电常数(εr)和介电强度(Eb)相对较小，致使储能密度较低。如果储能介质材料介电常数达到100、介电强度达到500kV/mm，则储能密度大于30Wh/kg。因此，解决问题的关键在于发展同时具备高介电常数和高介电强度电介质材料，同时优化介质薄膜电容器集成组装技术和改善电容器的充放电特性，服务于国民经济建设和国防等战略需要。

国内外对比分析

2015年，美国国家科学基金（NSF）宣布将在宾州州立大学和北卡罗莱纳州立大学设立电介质和压电材料研究中心，主要研究的领域为电力电子和能量网格用高能量密度电容器、柔性电子用低温加工的驻极体、特殊环境下应用的电容器、提高储能密度和改善功率分布的绝缘体等。这些举措极大的促进了美国电能储存技术的发展，储能介质复合材料在这期间也得到了极大的发展。在美国，电容器生产、科研的主要公司有Cooper、GE、GA等公司，这些公司都具有很强的综合发展能力，产品比特性指标和科技含量较高。2009年，美国GA公司研制出了最高储能密度达到3.0MJ/m3的金属化聚丙烯膜电容器。然而单纯依靠聚合物自身很难获得高储能密度的介质复合材料。目前国内外的普遍做法是通过将高介电常数的无机纳米颗粒与聚合物复合，获得具有高功率密度和高能量密度的储能介质复合材料。

美国政府自2005年起，先后两次资助了由多学科大学创新研究群聚焦新型高储能介质复合材料的研发。目标是获得介电常数比BOPP更高并同时具有高介电强度的柔性储能介质复合材料。网上查到美国EEStor公司构想的基于钛酸钡基陶瓷电容器，能量密度达402Wh/kg(介质膜厚9.81um、介电常数19861、介电强度557kV/mm)。基于材料介电性能解耦协同调控、生产成本和工艺等考虑，目前国内外对储能介质复合材研究主要有以下四种思路：(1) 设计制备具有显著电极化响应的极性分子结构的高储能聚合物材料。(2) 设计制备具有分级结构的高储能无机纳米颗粒/聚合物复合电介质材料。(3) 利用不同物理性质薄层设计制备多层结构的高储能密度介质复合材料。(4) 利用极性高分子内源性界面显著增强极化。