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  面對(duì)化石能源的迅速枯竭，以及能源消耗帶來的氣候變化和環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，迫切需要開發(fā)綠色可持續(xù)發(fā)展的清潔能源并加以有效利用。目前，將太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能和波浪能等可再生能源轉(zhuǎn)化為電能是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要手段。對(duì)于這些具有間歇性和脈沖性的清潔能源，開發(fā)可靠、安全的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備至關(guān)重要。電介質(zhì)電容器具有極快的充放電速度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在能源轉(zhuǎn)換、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用。隨著電子電力設(shè)備向輕量化和柔性化方向發(fā)展，全有機(jī)電介質(zhì)憑借其輕質(zhì)、易加工、高擊穿強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能介質(zhì)電容器領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

  當(dāng)前，電介質(zhì)電容器的儲(chǔ)能密度較低，在應(yīng)用中占據(jù)了較大的質(zhì)量和體積，難以滿足微型化和輕量化的需求。因此，迫切需要開發(fā)具有高儲(chǔ)能密度的電介質(zhì)�；谄蚁�VDF）的聚合物具有高極化特性，有利于實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)能密度。近年來，有關(guān)VDF基電介質(zhì)和全有機(jī)電介質(zhì)的文章發(fā)表量迅速增加，如圖1所示。鑒于近年來VDF基全有機(jī)電介質(zhì)的迅速發(fā)展，對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行回顧分析以及對(duì)未來發(fā)展提出見解十分必要。

圖1 2016~2025年有關(guān)VDF基電介質(zhì)和全有機(jī)電介質(zhì)的文章發(fā)表量

  論文指出，提高VDF基全有機(jī)電介質(zhì)的儲(chǔ)能性能主要集中在三個(gè)關(guān)鍵方面：極化行為、介電損耗和擊穿強(qiáng)度。

  1.調(diào)節(jié)極化行為：VDF基電介質(zhì)主要表現(xiàn)為鐵電極化行為，具有高最大極化和剩余極化。在減少剩余極化的同時(shí)盡可能少的犧牲最大極化，可同時(shí)提升儲(chǔ)能密度和效率。

  2.抑制介電損耗：介電損耗主要分為弛豫損耗和傳導(dǎo)損耗。降低大鐵電疇耦合引起的弛豫損耗，并抑制傳導(dǎo)損耗，可減少充放電循環(huán)中的能量耗散。

  3.提高擊穿強(qiáng)度：儲(chǔ)能密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比。高擊穿強(qiáng)度意味著更高的工作電場(chǎng)，可以更充分地利用材料的儲(chǔ)能潛力。同時(shí)，高擊穿強(qiáng)度確保了電容器的安全性和穩(wěn)定性。

  綜述圍繞極化行為、介電損耗和擊穿強(qiáng)度三個(gè)方面，討論了近年提升VDF基全有機(jī)電介質(zhì)儲(chǔ)能性能的化學(xué)和物理策略（圖2）。提高VDF基全有機(jī)電介質(zhì)儲(chǔ)能性能的化學(xué)策略主要涉及分子鏈級(jí)改性，可分為三種：共聚改性、接枝功能化和化學(xué)交聯(lián)。而物理策略主要集中在改變聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上，可分為四種：設(shè)計(jì)加工工藝、引入有機(jī)分子、聚合物共混和構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)。化學(xué)和物理策略都在不同程度上有助于改善極化行為、降低介電損耗和增強(qiáng)擊穿強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能性能的提升。

圖2 增強(qiáng)VDF基全有機(jī)電介質(zhì)儲(chǔ)能性能的化學(xué)和物理策略

  盡管近年來在提高VDF基全有機(jī)電介質(zhì)儲(chǔ)能性能方面取得了重大突破，但這一領(lǐng)域仍然存在諸多挑戰(zhàn)，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。根據(jù)VDF基全有機(jī)電介質(zhì)目前的發(fā)展?fàn)顩r，綜述最后提出了尚未解決的關(guān)鍵問題和亟需關(guān)注的未來研究方向：

  1.協(xié)同提高介電常數(shù)和擊穿強(qiáng)度。當(dāng)前的策略（包括共聚、接枝、交聯(lián)、淬火和共混等）在細(xì)化晶體尺寸、增加分子鏈間距離、減小鐵電疇、定制極化行為等方面都證明了有效性。具有弛豫鐵電行為的VDF基聚合物值得加強(qiáng)研究，特別是通過先進(jìn)的表征技術(shù)結(jié)合有限元模擬來闡明其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀儲(chǔ)能性能之間的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

  2.在降低傳導(dǎo)損耗方面，主要策略為抑制載流子傳輸和電極界面的電荷注入。目前采用的方法（包括接枝、交聯(lián)、引入功能性有機(jī)分子和聚合物共混等）已被證明能夠在系統(tǒng)中引入電荷捕獲中心，從而降低載流子的遷移率。但是，目前還缺乏對(duì)電荷捕獲機(jī)制的定量描述。未來的工作應(yīng)深化對(duì)電荷捕集的理論理解，并開發(fā)先進(jìn)的表征技術(shù)，以建立電荷捕集參數(shù)與材料微結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。

  3.目前增強(qiáng)擊穿強(qiáng)度的方法主要集中在提高薄膜的面外模量和引入電荷捕獲中心以抑制載流子遷移。對(duì)于VDF基聚合物，可以通過交聯(lián)、與高模量聚合物共混以及增加結(jié)晶度來提高楊氏模量。通過引入深陷阱來抑制漏電流以提高擊穿強(qiáng)度的理論還需要深入研究，因?yàn)樯钕葳蹇赡軙?huì)導(dǎo)致電介質(zhì)局部電場(chǎng)分布不均，從而損害擊穿強(qiáng)度。

  4.在高溫環(huán)境下，電介質(zhì)的傳導(dǎo)損耗會(huì)急劇增加，降低傳導(dǎo)損耗是優(yōu)化高溫儲(chǔ)能性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。應(yīng)特別關(guān)注電介質(zhì)材料的導(dǎo)熱性，因?yàn)樯岵蛔銜?huì)導(dǎo)致?lián)舸⿵?qiáng)度的急劇降低。此外，對(duì)介電材料在復(fù)雜使用條件下的運(yùn)行可靠性和老化特性的研究仍然較少。今后的工作應(yīng)側(cè)重于建立全面的性能評(píng)估方法和開發(fā)壽命預(yù)測(cè)模型，以促進(jìn)聚合物電介質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用。

  該綜述以南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生湯駿航為第一作者、毛澤鵬副教授等為通訊作者發(fā)表在國(guó)際期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上，題為“Enhancing the energy storage performance of all-organic dielectrics based on VDF-based polymers: chemical and physical strategies”。從調(diào)節(jié)極化行為、降低介電損耗和提高擊穿強(qiáng)度三個(gè)方面探討了提高VDF基全有機(jī)電介質(zhì)儲(chǔ)能性能的各種化學(xué)和物理策略。指出了VDF基全有機(jī)電介質(zhì)必須克服的挑戰(zhàn)，對(duì)未來的研究與開發(fā)提出了建議。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116139