介質電容器是電子電路和電力系統中普遍存在的基本儲能器件，隨著新能源發電、航空電子工業和電動汽車領域迅速發展，要求電容器聚合物介質在更高溫度下運行。目前普遍使用的商用電容薄膜雙向拉伸聚丙烯（BOPP）最高工作溫度僅為105℃，這是因為在高溫、強電場下聚合物內部電導損耗呈指數級上升并產生大量焦耳熱，導致器件性能迅速下降，并最終過熱損壞。盡管已有多種耐熱高分子被用于開發電容儲能薄膜，然而，在極端溫度和電場條件下，這類材料無法避免焦耳熱的大量生成，不能滿足極端工況電容儲能應用需要，其根本原因在于無法有效抑制高溫、強電場下的載流子傳導。
近日，清華大學李琦課題組受生物大分子雙鏈螺旋結構啟發，首次將螺環分子結構引入到耐熱高分子體系并應用于高溫介電儲能領域，得到了在200 °C下具有高充放電效率（≥90%）和高儲能密度（6.13 J/cm3）的新型耐高溫介電儲能聚合物薄膜，高于商業BOPP電容膜在室溫下的儲能密度（~4 J/cm3）。一方面，螺環結構中單環旋轉勢能極大，導致其形成穩定的三維立體結構，有助于抑制聚合物分子中共軛平面從而調控電荷輸運過程；另一方面，由于螺環結構由兩條鍵鏈構成，只有當兩條鍵鏈同時破壞才會引發主鏈斷裂，從而具有更強的熱穩定性。螺環結構的引入為設計具有優異高溫儲能性能的聚合物介質材料提供了新的思路。
圖1. PI及其衍生聚合物的分子結構設計。(A)合成分子結構式。(B)常規PI、PI-B、Spiral-structured PI-1和PI-2內相應基團的三維靜電勢分布。
圖2. PI及其衍生聚合物的自由體積和鏈堆積結構。(A)聚合物構型。(B)占用體積、自由體積、自由體積占比和密度。(C)常規PI、PI-B、PI-spiro-1-5和PI-spiro-2-5的XRD譜圖。
圖5. PI及其衍生聚合物的高溫儲能性能。(A)200℃、300 MV/m下的D-E曲線。測試薄膜在(B)150℃和(C)200℃下的儲能密度和充放電效率。(D)充放電效率在90%以上的最大放電能量密度。(E)150℃和200℃下高溫介質材料儲能性能比較。
相關研究成果以“Spiral-structured dielectric polymers exhibiting ultra-high energy density and charge-discharge efficiency at high temperatures”為題發表在《Advanced Materials》。論文第一作者是清華大學博士后冉昭玉，通訊作者為清華大學李琦副教授。該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202303849
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