近日，南方科技大學材料科學與工程系汪宏講席教授團隊在儲能電介質領域取得重要進展，相關研究成果以“Superior Capacitive Energy Storage Enabled by Molecularly Interpenetrating Interfaces in Layered Polymers”為題發表在材料領域國際期刊?Advanced?Materials?上。

介電電容器是電子設備中使用量最大的電子元器件之一。在眾多類型的電容器元件中，聚合物薄膜電容器具有輸出電壓高、頻率范圍廣、機械靈活性高、充放電循環能力強以及自愈性好等優點。近年來，隨著電磁脈沖武器裝備、能源動力、交通運輸系統往集成化以及小型化的發展，迫切需要開發高儲能性能的聚合物基電介質材料。

電介質材料的介電常數與擊穿強度之間的內稟倒置關系限制了儲能密度的提高。通過填充高k無機陶瓷來增強極化的聚合物基納米復合材料往往以犧牲擊穿強度為代價，并且難以工業規?；a。線性全有機聚合物具有低損耗和高充放電效率的特點，并且具備大規模制造的前景，但其儲能密度的提升依舊受到低極化和低擊穿強度的限制。針對此問題，不同于以往的疊層聚合物結構，汪宏團隊基于鐵電聚合物和線性電介質聚合物設計了一類具有異質分子互穿界面的新型雙層聚合物介質薄膜，解耦了介電常數和擊穿強度間的制約關系，并獲得了超高的能量密度和效率，如圖1所示。

圖1 全有機雙層異質聚合物的分子互穿界面的理論模擬、表征與性能

通過調控?PVDF?基共混鐵電聚合物和線性電介質?PEI?層間的異質分子互穿界面，可以實現極性相轉變，提高極性相β、γ相的含量，這可以有效增強聚合物的極化，如圖2所示。此外，分子互穿界面處的異質分子間存在強的相互作用力，使得分子鏈間距降低，晶粒尺寸減小，這使得界面處的楊氏模量提高，有效緩解局部應力畸變，如圖3所示。熱刺激去極化電流測試（TSDC）、脈沖電聲測試（PEA）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）測試結果表明，該分子界面設計還增強了聚合物薄膜對自由電荷的捕獲能力，這使得漏電流密度顯著降低，擊穿強度顯著提升，如圖3所示。

圖2 分子互穿界面引起的極性相轉變與分子間相互作用

圖3 分子互穿界面的電荷捕獲、機械性能與聚合物的擊穿強度

鑒于介電常數和擊穿強度的協同提升，聚合物薄膜在940 MV m-1的超高電場下，同時獲得29.89 J cm-3的高儲能密度和81.1%的高效率。并且在充放電效率≥90%時的儲能密度為22.89 J cm-3，這優于目前報道的聚合物基薄膜電介質材料，如圖4所示。此外，該聚合物薄膜還具備優異的循環穩定性和大規模生產能力。

圖4 聚合物薄膜的儲能性能、P-E疲勞和穩定性

南方科技大學材料科學與工程系博士研究生孫良為論文第一作者，研究助理教授張鳳元和博士后李立為論文共同第一作者，汪宏為論文責任通訊作者，美國賓州州立大學教授王慶和李立為論文共同通訊作者，南科大為論文第一單位。南科大材料系教授李江宇、清華大學電機系副教授李琦、西安交通大學電氣工程學院教授吳鍇等人參與了本工作。此研究得到了國家自然科學基金重大研究計劃重點支持項目、國家重點研發計劃等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412561

來源：南方科技大學

原文鏈接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202412/45988.html