金屬化膜電容器因其具備高功率密度、快速充放電能力以及優(yōu)異的加工性能，在電力系統(tǒng)與醫(yī)療設(shè)備等能量存儲設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的重要作用。近年來，隨著可再生能源技術(shù)和電磁發(fā)射系統(tǒng)的快速發(fā)展，對薄膜電容器的需求持續(xù)增長，同時對其能量存儲性能也提出了更高要求。然而，現(xiàn)有聚合物基薄膜材料普遍存在能量密度偏低的問題，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力電子及醫(yī)療設(shè)備對輕量化、小型化和高度集成化的嚴(yán)苛要求。因此，亟需開發(fā)兼具高能量密度與低能量損耗的新型聚合物基儲能電介質(zhì)材料。
近日，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授團(tuán)隊聯(lián)合西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰教授團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新策略，通過剛性萘環(huán)的自由體積與能帶結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，有效解耦偶極玻璃態(tài)聚合物中高能量密度與高能量損耗之間的矛盾。研究團(tuán)隊通過將2-乙烯基萘（2-VN）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚合，成功合成了一種新型無規(guī)共聚物P(MMA-VN)。共聚引入的剛性萘環(huán)結(jié)構(gòu)有效增大了甲基側(cè)基的自由體積，提升了聚合物的極化能力，并顯著抑制了弛豫損耗。此外，萘環(huán)對能級結(jié)構(gòu)的調(diào)控引入了陷阱能級，增強(qiáng)了載流子俘獲能力，有效降低了漏導(dǎo)損耗以及熱擊穿與電擊穿的風(fēng)險。當(dāng)VN含量為5 mol%時，材料的儲能性能最優(yōu)，其在800 MV/m的電場下展現(xiàn)出優(yōu)異性能，能量密度高達(dá)19.3 J/cm3，放電效率超過89%，在絕大數(shù)已報道的聚合物基介電材料中處于領(lǐng)先水平。所制備的P(MMA-VN)介電材料在實現(xiàn)高能量密度與高放電效率協(xié)同提升的同時，兼具優(yōu)異的溶液加工性及熱/機(jī)械穩(wěn)定性，具備良好的規(guī)模化制備潛力，是面向電動汽車、可再生能源系統(tǒng)與柔性電子器件等領(lǐng)域先進(jìn)電容器的理想候選材料。此外，該設(shè)計策略具有較強(qiáng)的普適性，可拓展應(yīng)用于其他聚合物體系，為開發(fā)新一代高性能介電材料提供了通用平臺。該研究為提升薄膜電容器的能量存儲性能開辟了新路徑，展現(xiàn)出在介電能量存儲領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果以“自由體積和能帶結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控助力聚合物電介質(zhì)高儲能性能”（Synergistic Modulation of Free Volume and Band Structure Assist the High Energy Storage Performance of Polymer Dielectrics）為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。西安交通大學(xué)張志成教授、西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰主任為論文的通訊作者，西安交通大學(xué)助理教授張美榮為論文第一作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費、國家資助博士后項目、教育部重點實驗室開放課題等項目的資助。
原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202506101
張志成教授主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang/2
高登峰教授主頁：https://www.xjtu.edu.cn/jsnr.jsp?wbtreeid=1632&wbwbxjtuteacherid=18
