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  脈沖功率電容器作為關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件廣泛地應(yīng)用于電子器件、汽車、航天器和電磁彈射器等裝備。相比電池電容器，電介質(zhì)電容器具有超高功率密度獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而具有高能量密度U_e、低能量損耗、機(jī)械柔性的電介質(zhì)聚合物更是下一代電子和功率器件的理想材料。但是現(xiàn)有聚合物電介質(zhì)材料往往依賴于取向極化而普遍存在儲(chǔ)能密度與能量損耗不可調(diào)和的矛盾。如何解耦高儲(chǔ)能與損耗之間強(qiáng)依賴關(guān)系是獲得優(yōu)異的儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵因素。

  近日，西安交大張志成教授團(tuán)隊(duì)基于理論模擬，設(shè)計(jì)了一種由氟原子取代的極性苯乙烯（4-氟苯乙烯, 4-FSt）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）組成的無(wú)規(guī)共聚物材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入61 mol%的4-FSt單元時(shí)，共聚物的介電儲(chǔ)能性能最佳，在825 MV/m電場(chǎng)下，薄膜的可釋放能量密度為16.6 J/cm³，可釋放能量效率η>88%。且該介電薄膜在300 MV/m電場(chǎng)下經(jīng)過(guò)10⁴充放電循環(huán)后表現(xiàn)出良好的抗疲勞特性（η>93%）。

圖1（A, B）苯乙烯，4-氟苯乙烯偶極矩、電荷分布以及表面靜電勢(shì)模擬，（C, D）聚合物分子間作用RDG散點(diǎn)圖分析，（E）乳液聚合制備共聚物，（F）苯乙烯，4-氟苯乙烯的¹H NMR表征，（G）聚合物羰基峰紅外表征圖，（H）聚合物的¹H NMR表征以及（I）聚合物的GPC表征

圖2（A, B）25℃時(shí)聚合物介電頻譜，（C, D）10³ Hz時(shí)聚合物介電溫譜，（E）室溫下聚合物泄漏電流表征以及（F）室溫下聚合物擊穿強(qiáng)度測(cè)試

圖3（A）室溫下聚合物與BOPP功率密度對(duì)比，（B）室溫下聚合物抗疲勞性能表征，（C）室溫下聚合物儲(chǔ)能性能計(jì)算以及（D）聚合物儲(chǔ)能能力與目前報(bào)道幾類電介質(zhì)材料對(duì)比

  相比于目前商業(yè)化性能最好的BOPP電介質(zhì)材料，300 MV/m時(shí)4-FSt含量為61mol%的聚合物功率密度提升超過(guò)27%，且經(jīng)過(guò)10000次循環(huán)后性能損耗低于7%。最終實(shí)現(xiàn)825 MV/m時(shí)以超過(guò)88%的效率獲得超過(guò)16.6 J/cm³的可釋放能量密度。該方法首次提出利用電子云變形取代取向極化成功解耦高儲(chǔ)能與損耗之間的強(qiáng)依賴關(guān)系，對(duì)未來(lái)電介質(zhì)材料發(fā)展提提供了全新的思路，具有重大的啟發(fā)價(jià)值。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146738

作者介紹

  張志成，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域包括新型氟聚合物的設(shè)計(jì)與可控合成，新型電介質(zhì)的分子設(shè)計(jì)與偶極調(diào)控，電活性高分子及其在高儲(chǔ)能電容器、壓電傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。

課題組簡(jiǎn)介

  張志成教授團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域主要有有機(jī)氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲(chǔ)能高分子的設(shè)計(jì)與可控合成、儲(chǔ)能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無(wú)機(jī)多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個(gè)方向。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有科研人員9人，其中教授4人，副教授3人，助理教授2人，在讀研究生40余人。

  團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來(lái)致力于電功能氟聚合物設(shè)計(jì)合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究，包括新型氟聚合物的設(shè)計(jì)、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲(chǔ)能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來(lái)圍繞氟聚合物的合成改性，開發(fā)了多種基于C-Cl、C-F 鍵活化的可控改性方法，為新型氟聚合物的設(shè)計(jì)合成開辟了新途徑；在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了豐碩的成果；在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應(yīng)用方面開展了相關(guān)工作，積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)（重點(diǎn)1項(xiàng)，面上2項(xiàng)，青年1項(xiàng)），省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng)，橫向項(xiàng)目20余項(xiàng)。以第一（通訊）作者共發(fā)表 高水平論文150余篇，發(fā)表 SCI論文被引用3400余次，個(gè)人H因子為33。2010年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號(hào)，獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第3）。現(xiàn)任《高分子通報(bào)》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。