近日，我院張齊艷助理教授在Nature Index期刊《Nano Letters》（影響因子：9.6）上發(fā)表了題為“Nanostructure Engineering Significantly Enhances Capacitive Energy Storage Performance in All-Polymer Dielectrics at Elevated Temperatures”的研究論文。該研究提出了納米結(jié)構(gòu)工程調(diào)控提升全聚合物電介質(zhì)高溫電容儲能性能的研究，揭示了納米界面調(diào)控對高溫電容性能的關(guān)鍵作用機制。深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生謝巧輝為文章的第一作者，張齊艷助理教授為通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。
[背景介紹]
采用聚合物電介質(zhì)材料的靜電電容器是先進電氣電子系統(tǒng)中不可或缺的儲能元件，具有功率密度高、工作電壓大、加工性能好、成本低廉、重量輕以及失效機制可靠等顯著優(yōu)勢。隨著電動汽車、航空航天、可再生能源、工業(yè)自動化以及地下油氣勘探等高溫應(yīng)用場景對電能存儲需求的不斷提升，亟需開發(fā)能夠耐受高電場和高溫環(huán)境的聚合物電介質(zhì)材料。然而，目前應(yīng)用最廣泛的雙軸取向聚丙烯（BOPP）電介質(zhì)在溫度超過85°C時，其耐壓性能會下降30%-50%，這主要源于材料性能的快速劣化和使用壽命的顯著縮短。雖然近年來研究者嘗試采用聚醚酰亞胺（PEI）、聚酰亞胺（PI）和芴基聚酯（FPE）等高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）工程塑料來制備高溫電容器，但這些努力僅取得了有限的成功。研究發(fā)現(xiàn)，即便在低于Tg的溫度條件下，當(dāng)電場強度超過300 MV/m時，這些工程塑料的漏電流會急劇增加，導(dǎo)致嚴(yán)重的傳導(dǎo)損耗，進而造成充放電效率（η）和放電能量密度（Ud）的大幅降低。因此，突破高Tg聚合物電介質(zhì)在極端工況下的漏電流抑制瓶頸，是實現(xiàn)高溫電容儲能性能提升亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
圖1. 全聚合物電介質(zhì)界面結(jié)構(gòu)調(diào)控與深陷阱形成機制
[文章亮點]
該研究采用聚合誘導(dǎo)微相分離（PIMS）技術(shù)，分別將兩種商用BMI單體（BMP和BDM）與聚砜（PSU）共混，成功制備出具有可控界面結(jié)構(gòu)的全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)（PNDs），系統(tǒng)揭示了熱固性樹脂分子結(jié)構(gòu)對界面特性及高溫電容性能的調(diào)控規(guī)律。研究表明，盡管PSU/BMP和PSU/BDM全聚合物體系具有相近的陷阱能級，但由于BMP與PSU基體間更優(yōu)異的相容性，使得BMP微區(qū)尺寸較BDM顯著減小，從而在PSU/BMP體系中形成了更高的陷阱密度。這一結(jié)構(gòu)特征使PSU/BMP體系在高溫條件下表現(xiàn)出更低的漏電流密度，顯著優(yōu)于PSU/BDM體系及純PSU材料。得益于這一優(yōu)勢，PSU/BMP體系展現(xiàn)出卓越的高溫電容儲能性能。具體而言，PSU/BMP 75/25和PSU/BDM 80/20全聚合物電介質(zhì)在150℃下的放電能量密度分別達到6.0和4.6 J/cm3（效率>90%），而純PSU僅為2.3 J/cm3。值得注意的是，該材料體系還同時具備優(yōu)異的放電速率（可達μs級）、高功率密度以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性（>10?次）。本研究通過精準(zhǔn)調(diào)控全聚合物的界面結(jié)構(gòu)，為解決高溫聚合物電介質(zhì)電容儲能性能衰減這一關(guān)鍵科學(xué)問題提供了新的解決方案，在新能源汽車、新能源電力裝備、航空航天等高溫電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。
圖2. 全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的高溫電容儲能性能
[總結(jié)/展望]
該研究采用聚合誘導(dǎo)微觀相分離（PIMS）方法，系統(tǒng)研究了熱塑性/熱固性全聚合物納米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)材料（PNDs）的制備與性能調(diào)控，重點揭示了熱固性樹脂分子結(jié)構(gòu)對材料高溫電容性能的影響機制。通過選用具有顯著分子結(jié)構(gòu)差異的兩種BMI單體（BMP和BDM），成功實現(xiàn)了PSU基體中不同尺寸BMI微區(qū)的可控構(gòu)筑。研究表明，由于BMP分子獨特的空間構(gòu)型和更優(yōu)的相容性，PSU/BMP PNDs形成了更精細(xì)的納米相區(qū)，從而產(chǎn)生更高的界面電荷陷阱密度。這一結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使材料在150℃高溫下展現(xiàn)出顯著降低的漏電流密度和優(yōu)異的電容儲能性能。這種基于PIMS策略的納米結(jié)構(gòu)精確調(diào)控方法，可進一步拓展至其他聚合物體系，為滿足航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅鼙∧る娙蓦娊橘|(zhì)材料的迫切需求開辟了新的技術(shù)途徑。
出版信息：
Nano Lett. 2025, 25, 7793?7800
Publication Date: April 25, 2025
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00788
