近日，我院张齐艳助理教授在Nature Index期刊《Nano Letters》（影响因子：9.6）上发表了题为“Nanostructure Engineering Significantly Enhances Capacitive Energy Storage Performance in All-Polymer Dielectrics at Elevated Temperatures”的研究论文。该研究提出了纳米结构工程调控提升全聚合物电介质高温电容储能性能的研究，揭示了纳米界面调控对高温电容性能的关键作用机制。深圳大学电子与信息工程学院硕士研究生谢巧辉为文章的第一作者，张齐艳助理教授为通讯作者，深圳大学为第一完成单位和通讯作者单位。
[背景介绍]
采用聚合物电介质材料的静电电容器是先进电气电子系统中不可或缺的储能元件，具有功率密度高、工作电压大、加工性能好、成本低廉、重量轻以及失效机制可靠等显著优势。随着电动汽车、航空航天、可再生能源、工业自动化以及地下油气勘探等高温应用场景对电能存储需求的不断提升，亟需开发能够耐受高电场和高温环境的聚合物电介质材料。然而，目前应用最广泛的双轴取向聚丙烯（BOPP）电介质在温度超过85°C时，其耐压性能会下降30%-50%，这主要源于材料性能的快速劣化和使用寿命的显著缩短。虽然近年来研究者尝试采用聚醚酰亚胺（PEI）、聚酰亚胺（PI）和芴基聚酯（FPE）等高玻璃化转变温度（Tg）工程塑料来制备高温电容器，但这些努力仅取得了有限的成功。研究发现，即便在低于Tg的温度条件下，当电场强度超过300 MV/m时，这些工程塑料的漏电流会急剧增加，导致严重的传导损耗，进而造成充放电效率（η）和放电能量密度（Ud）的大幅降低。因此，突破高Tg聚合物电介质在极端工况下的漏电流抑制瓶颈，是实现高温电容储能性能提升亟待解决的关键科学问题。
图1. 全聚合物电介质界面结构调控与深陷阱形成机制
[文章亮点]
该研究采用聚合诱导微相分离（PIMS）技术，分别将两种商用BMI单体（BMP和BDM）与聚砜（PSU）共混，成功制备出具有可控界面结构的全聚合物纳米结构电介质（PNDs），系统揭示了热固性树脂分子结构对界面特性及高温电容性能的调控规律。研究表明，尽管PSU/BMP和PSU/BDM全聚合物体系具有相近的陷阱能级，但由于BMP与PSU基体间更优异的相容性，使得BMP微区尺寸较BDM显著减小，从而在PSU/BMP体系中形成了更高的陷阱密度。这一结构特征使PSU/BMP体系在高温条件下表现出更低的漏电流密度，显著优于PSU/BDM体系及纯PSU材料。得益于这一优势，PSU/BMP体系展现出卓越的高温电容储能性能。具体而言，PSU/BMP 75/25和PSU/BDM 80/20全聚合物电介质在150℃下的放电能量密度分别达到6.0和4.6 J/cm³（效率>90%），而纯PSU仅为2.3 J/cm³。值得注意的是，该材料体系还同时具备优异的放电速率（可达μs级）、高功率密度以及出色的循环稳定性（>10⁵次）。本研究通过精准调控全聚合物的界面结构，为解决高温聚合物电介质电容储能性能衰减这一关键科学问题提供了新的解决方案，在新能源汽车、新能源电力装备、航空航天等高温电子器件领域具有重要的应用潜力。
图2. 全聚合物纳米结构电介质的高温电容储能性能
[总结/展望]
该研究采用聚合诱导微观相分离（PIMS）方法，系统研究了热塑性/热固性全聚合物纳米结构电介质材料（PNDs）的制备与性能调控，重点揭示了热固性树脂分子结构对材料高温电容性能的影响机制。通过选用具有显著分子结构差异的两种BMI单体（BMP和BDM），成功实现了PSU基体中不同尺寸BMI微区的可控构筑。研究表明，由于BMP分子独特的空间构型和更优的相容性，PSU/BMP PNDs形成了更精细的纳米相区，从而产生更高的界面电荷陷阱密度。这一结构优势使材料在150℃高温下展现出显著降低的漏电流密度和优异的电容储能性能。这种基于PIMS策略的纳米结构精确调控方法，可进一步拓展至其他聚合物体系，为满足航空航天、新能源汽车等领域对高性能薄膜电容电介质材料的迫切需求开辟了新的技术途径。
出版信息：
Nano Lett. 2025, 25, 7793−7800
Publication Date: April 25, 2025
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00788
