薄膜电容器因其超高功率密度、高耐压性、良好可靠性和易加工性，已成为现代电子设备和电力系统中能量存储和转换的关键元件。然而，现有的聚合物介电材料工作温度较低，导致薄膜电容器在电动汽车、航空航天和地下油气勘探等新兴高温环境中的电力电子应用中无法稳定运行。例如，电动汽车中的近发动机温度可超过120℃，而目前用于电动汽车功率逆变器的双轴取向聚丙烯（BOPP）薄膜电容器的工作温度低于105℃。因此，需要采用冷却系统将工作温度从120℃以上降至约70℃，这增加了额外的重量、体积和能耗。
为了解决这一瓶颈问题，深圳大学电子与信息工程学院张齐艳助理教授与宾夕法尼亚州立大学章启明教授合作提出并制备了一种具有优异高温电容储能性能的低熵非晶态介电聚合物。该工作以“Low-entropy amorphous dielectric polymers for high-temperature capacitive energy storage”为题，于2024年7月23日发表在能源领域国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》（中科院一区及TOP期刊，影响因子：32.4）（DOI: 10.1039/D4EE02455A）。
图1. 低熵非晶态聚合物对载流子传输的抑制效果及机理。
该研究是在前期工作基础上（Matter，2021，4（7）：2448-2459）进行的深入拓展，旨在解决薄膜电容器在高温下漏电流急剧提升的核心科学问题。研究提出了一种低熵非晶态聚合物构筑策略。该低熵非晶态聚合物由高玻璃化转变温度的聚（2,6-二甲基-1,4-苯撑氧化物）（PPO）和聚苯乙烯（PS）分子级共混而成，在高温和高电场下表现出优异的电容性能。材料设计原理是利用PS的苯环与PPO的苯环之间的强范德华力，在分子水平上“拉伸”主链，从而显著降低非晶态聚合物的分子构象熵，形成随机取向但高度紧密堆积的延展聚合物链，通过深能级局部态抑制电荷传输。研究结果表明，该低熵非晶态介电聚合物在150℃下表现出5.5 J/cm³的放电能量密度和超过90%的充放电效率，性能优于现有的介电聚合物。此外，与其他方法相比，该薄膜加工工艺（即聚合物共混）更简单、直接且成本低，因此该方法为高性能和高质量聚合物薄膜的量产奠定了基础，并在高温薄膜电容器中展现出广泛的应用潜力。
图2. 基于低熵非晶态聚合物所制备薄膜电容的性能表征。
项目支持：该研究得到了国家自然科学基金和深圳市科技创新计划项目的资助。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee02455a
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