2024年10月29日，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在《Nature Communications》发表了题为“Scalable all polymer dielectrics with self-assembled nanoscale multiboundary exhibiting superior high temperature capacitive performance”的学术论文。该论文介绍了一种全聚合物纳米结构电介质材料，该材料基于多尺度纳米界面结构有效抑制高温下的漏电流，从而实现了优异的高温电容储能性能。
薄膜电容器由夹在金属电极之间的聚合物电介质薄膜组成，具有功率密度高、充放电速度快、耐高电压能力强等优点，在现代电子设备和电力系统中占据重要地位。然而，聚合物电介质材料的工作温度相对较低，这使得它们在电动汽车、航空航天电力电子以及地下油气勘探等应用中，无法满足140 ℃以上的苛刻温度条件下的稳定运行需求。例如，目前市场上最优质的电容器薄膜——双向拉伸聚丙烯（BOPP），只能在105 ℃以下正常工作。当温度超过85 ℃时，BOPP薄膜电容的性能和使用寿命会急剧下降，因此需要承受30-50%的电压降额。
图1. 全聚合物纳米结构电介质材料的制备及微观结构表征。
本研究采用聚合诱导微相分离（PIMS）策略，成功制备了高温全聚合物纳米结构电介质材料（PNDs），该材料具有良好的可扩展性和低成本优势。基于高玻璃化转变温度（Tg）的工程聚合物与热固性树脂单体在聚合交联过程中自组装形成的纳米结构多尺度界面，有效抑制了高温下电流的产生和输运，进而使得制备的PNDs展现出优异的高温电容性能。具体而言，聚醚酰亚胺（PEI）被选为高Tg工程聚合物，其高玻璃化转变温度（Tg ≈ 217 ℃）及良好的加工性为其在高温薄膜电容器中的商业应用提供了良好前景。选用的商用双马来酰亚胺（BMI）单体（2,2-bis-4-(4-马来酰亚胺-苯氧基)苯基丙烷）具有较大的带隙（Eg ≈ 5.74 eV）和低的电子亲和能（χ = 0.60 eV），因此能在与PEI接触时形成较高的电子注入屏障。此外，由于BMI和PEI分子结构中均含有双酚A和酰亚胺基团，使得二者具备良好的相容性。实验结果表明，自组装的纳米尺度多界面结构有效抑制了电荷的注入与激发。在高温和强电场条件下，漏电流密度降低了一个数量级以上，而在150 ℃的高温下，击穿场强提升了30%，显著优于纯PEI。该全聚合物纳米结构电介质材料在150 ℃下实现了7.1 J/cm³的放电能量密度和90%的充放电效率，超越了现有的聚合物电介质，并且其放电能量密度相比纯PEI提高了超过两倍。此外，与文献中报道的方法相比，本研究的薄膜加工过程更为简单、直接且成本低廉，为高性能、高质量电容薄膜的大规模生产奠定了基础。
图2. 全聚合物纳米结构电介质的高温电容储能性能。
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://www.nature.com/articles/s41467-024-53674-8
