聚合物電介質(zhì)因其高耐壓、低介電損耗和優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于靜電電容器。隨著工業(yè)生產(chǎn)和日常應(yīng)用需求的不斷提升，人們對(duì)聚合物薄膜電容器在高溫、高電壓等嚴(yán)苛條件下的可靠運(yùn)行提出了更高要求。然而，與介電陶瓷相比，大多數(shù)商用聚合物只能在相對(duì)較低的溫度(≤105 ℃)下保持有效工作。當(dāng)溫度升高時(shí)，其絕緣性能和儲(chǔ)能性能顯著退化。具體而言，在高溫環(huán)境下，聚合物內(nèi)部的電荷注入、激發(fā)及傳輸過(guò)程會(huì)導(dǎo)致漏電流呈指數(shù)增長(zhǎng)，進(jìn)而引起能量密度下降和充放電效率降低。這些缺陷嚴(yán)重限制了聚合物電介質(zhì)在高溫高功率電氣應(yīng)用中的進(jìn)一步發(fā)展。 　　在高溫和高電場(chǎng)下，聚合物電介質(zhì)的傳導(dǎo)損耗通常由電極限制和體相限制的傳導(dǎo)過(guò)程決定，分別表現(xiàn)為肖特基發(fā)射和跳躍傳導(dǎo)機(jī)制。肖特基發(fā)射發(fā)生在金屬電極與電介質(zhì)表面之間的界面處，來(lái)自電極的電荷通過(guò)“熱激發(fā)”獲得足夠的能量，克服界面勢(shì)壘注入到聚合物電介質(zhì)中。上海自動(dòng)化儀表三廠跳躍傳導(dǎo)通常發(fā)生在聚合物電介質(zhì)的體相內(nèi)，隨著溫度和電場(chǎng)的增加，電荷載流子可以獲得更多的能量來(lái)跳過(guò)聚合物中長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)在短程有序域之間建立的勢(shì)壘，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)電流急劇增加。 圖1 提升電極/電介質(zhì)界面肖特基勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異儲(chǔ)能性能 　　針對(duì)電極限制傳導(dǎo)，周迪教授團(tuán)隊(duì)提出一種簡(jiǎn)便的自組裝無(wú)機(jī)納米層涂覆方法，在商用PET薄膜表面沉積含SiO2薄層，并利用P(VDF-HFP)作為分散介質(zhì)和粘結(jié)層以增強(qiáng)界面結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，涂層的引入有效提高了聚合物表面肖特基勢(shì)壘，抑制載流子注入，從而顯著提升介電聚合物在高溫下的儲(chǔ)能性能。 圖2 “電子-空穴對(duì)”策略提升聚合物電介質(zhì)儲(chǔ)能性能 　　針對(duì)體相限制傳導(dǎo)，上海儀表四廠周迪教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將P型半導(dǎo)體分子并五苯(PT)引入到聚醚酰亞胺(PEI)基體中。PT的引入能夠在PT與PEI分子鏈的異質(zhì)結(jié)界面形成“電子–空穴對(duì)”，從而有效抑制聚合物基體中的載流子遷移。由此，復(fù)合薄膜在高溫150°C下，擊穿強(qiáng)度由純PEI的472.8 MV·m-1/WWW.shhzY3.cn提升至683.6 MV·m-1，同時(shí)放電能量密度達(dá)到7.35 J·cm-3，充放電效率保持在90 %以上。該測(cè)試結(jié)果充分驗(yàn)證了“電子-空穴對(duì)”策略在提高聚合物電介質(zhì)高溫儲(chǔ)能方面的顯著效果。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于跨尺度協(xié)同調(diào)控策略，將介觀尺度的自由體積與分子尺度的電荷陷阱相結(jié)合，通過(guò)將聚酰亞胺與聚醚酰亞胺共混，、WWW.shhzy3.cn并引入n型有機(jī)半導(dǎo)體——1,4,5,8-萘四甲酸二酐，有效解決了熱-電耦合應(yīng)力下自由體積塌陷和空間電荷積累的問(wèn)題。 圖3：基于跨尺度協(xié)同調(diào)控策略提升聚合物電介質(zhì)儲(chǔ)能性能。 　　此外，周迪教授團(tuán)隊(duì)在有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合介質(zhì)方面也進(jìn)行了深入探索。利用本課題組前期開(kāi)發(fā)的*弛豫鐵電材料Bi?Ti?WO??(Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2210709；Nature Communications, 2024, 15, 3754)，通過(guò)化學(xué)沉淀法制備核-殼結(jié)構(gòu)Bi?Ti?WO??@MgO(BTWO@MO)納米填料并引入PEI基體，顯著提升了高溫聚合物電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度與儲(chǔ)能性能。BTWO“核”提供高極化能力，MgO“殼”抑制界面電荷積累，使復(fù)合材料在150 °C下實(shí)現(xiàn)6.24 J·cm-/上海自動(dòng)化儀表有限公司3的放電能量密度(比純PEI提升197 %)，在400 MV·m-1下仍保持4.80 J·cm-3和87.51 %的效率，并展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究提出了一種基于核-殼結(jié)構(gòu)填料的有效策略，為極端環(huán)境下高性能電介質(zhì)的應(yīng)用提供了新思路。 圖4 通過(guò)“核-殼”結(jié)構(gòu)納米填料增強(qiáng)的 PEI 基復(fù)合材料高溫儲(chǔ)能性能 上海新躍儀表廠上述研究成果分別以《一種簡(jiǎn)單的表面工程方法用于提升聚合物介電材料的肖特基勢(shì)壘以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異儲(chǔ)能性能》(A simple surface engineering approach、WWW.shsaic.net/to enhance the Schottky barrier of polymer dielectrics for superior energy storage performance)《通過(guò)在聚合物基體中摻雜 P 型分子半導(dǎo)體形成電子-空穴對(duì)以增強(qiáng)儲(chǔ)能性能》(Enhanced Energy Storage Performance Through Electron-Hole Pair Formation in Polymer Matrices Doped with P-Type Molecular Semiconductor)《協(xié)同調(diào)控自由體積與電荷分布提升全有機(jī)復(fù)合介電材料的高溫儲(chǔ)能性能》(Superior High-Temperature Energy Storage Performance in All-Organic Composite Dielectrics Achieved by Synergistic Regulation of Free Volume and Charge Distribution)《核殼結(jié)構(gòu)納米填料提升聚醚酰亞胺基復(fù)合材料的高溫儲(chǔ)能性能》(High-Temperature Energy、WWW.shzy4.comStorage Performance of Polyetherimide-d Composites Enhanced by Core-Shell Structured Nanofillers)為題發(fā)表在國(guó)際期刊《材料化學(xué)學(xué)報(bào)A》(WWW.shsaic.net/Journal of Materials Chemistry A)《*功能材料》(Advanced Functional Materials)《微尺度》(Small)以及《微尺度：結(jié)構(gòu)》(Small Structures)上，論文*作者為西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)博士生劉濤、劉建君及畢業(yè)生郭艷博士(目前就職于河南理工大學(xué))，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)周迪教授、電氣工程學(xué)劉文鳳教授、材料學(xué)王軼飛特聘研究員及同濟(jì)大學(xué)翟繼衛(wèi)教授為共同通訊作者，西安交通大學(xué)為*完成單位。