文章导读
当高温成为电子设备的"隐形杀手"，传统聚合物电介质储能性能为何急剧衰减？西安交大周迪团队连发四项突破性成果，直击高温高电压下电荷泄漏与能量损耗两大痛点！他们创新性提出三大解决方案：通过自组装纳米涂层提升肖特基势垒，阻断界面电荷注入；利用P型半导体构建"电子-空穴对"陷阱，抑制体相载流子迁移；设计核壳结构Bi₆Ti₅WO₂₂@MgO纳米填料，同步增强极化与绝缘性能。150℃严苛环境下，击穿强度跃升45%至683.6 MV·m⁻¹，能量密度突破7.35 J·cm⁻³，充放电效率稳定90%以上——这些颠覆性技术为新能源汽车、智能电网等高温高功率系统提供了关键材料新思路。
— 内容由好学术AI分析文章内容生成，仅供参考。
聚合物电介质因其高耐压、低介电损耗和优异的运行稳定性，已被广泛应用于静电电容器。随着工业生产和日常应用需求的不断提升，人们对聚合物薄膜电容器在高温、高电压等严苛条件下的可靠运行提出了更高要求。然而，与介电陶瓷相比，大多数商用聚合物只能在相对较低的温度（≤105 ℃）下保持有效工作。当温度升高时，其绝缘性能和储能性能显著退化。具体而言，在高温环境下，聚合物内部的电荷注入、激发及传输过程会导致漏电流呈指数增长，进而引起能量密度下降和充放电效率降低。这些缺陷严重限制了聚合物电介质在高温高功率电气应用中的进一步发展。
在高温和高电场下，聚合物电介质的传导损耗通常由电极限制和体相限制的传导过程决定，分别表现为肖特基发射和跳跃传导机制。肖特基发射发生在金属电极与电介质表面之间的界面处，来自电极的电荷通过“热激发”获得足够的能量，克服界面势垒注入到聚合物电介质中。跳跃传导通常发生在聚合物电介质的体相内，随着温度和电场的增加，电荷载流子可以获得更多的能量来跳过聚合物中长程无序结构在短程有序域之间建立的势垒，从而导致传导电流急剧增加。
图1 提升电极/电介质界面肖特基势垒以实现优异储能性能
针对电极限制传导，周迪教授团队提出一种简便的自组装无机纳米层涂覆方法，在商用PET薄膜表面沉积含SiO2薄层，并利用P(VDF-HFP)作为分散介质和粘结层以增强界面结合。实验结果表明，涂层的引入有效提高了聚合物表面肖特基势垒，抑制载流子注入，从而显著提升介电聚合物在高温下的储能性能。
图2 “电子-空穴对”策略提升聚合物电介质储能性能
针对体相限制传导，周迪教授团队创新性地将P型半导体分子并五苯（PT）引入到聚醚酰亚胺（PEI）基体中。PT的引入能够在PT与PEI分子链的异质结界面形成“电子–空穴对”，从而有效抑制聚合物基体中的载流子迁移。由此，复合薄膜在高温150°C下，击穿强度由纯PEI的472.8 MV·m-1提升至683.6 MV·m-1，同时放电能量密度达到7.35 J·cm-3，充放电效率保持在90 %以上。该测试结果充分验证了“电子-空穴对”策略在提高聚合物电介质高温储能方面的显著效果。与此同时，团队基于跨尺度协同调控策略，将介观尺度的自由体积与分子尺度的电荷陷阱相结合，通过将聚酰亚胺与聚醚酰亚胺共混，并引入n型有机半导体——1,4,5,8-萘四甲酸二酐，有效解决了热-电耦合应力下自由体积塌陷和空间电荷积累的问题。
图3：基于跨尺度协同调控策略提升聚合物电介质储能性能。
此外，周迪教授团队在有机-无机复合介质方面也进行了深入探索。利用本课题组前期开发的新型弛豫铁电材料Bi₆Ti₅WO₂₂（Advanced Functional Materials, 2023, 33, 2210709；Nature Communications, 2024, 15, 3754），通过化学沉淀法制备核-壳结构Bi₆Ti₅WO₂₂@MgO（BTWO@MO）纳米填料并引入PEI基体，显著提升了高温聚合物电介质的绝缘强度与储能性能。BTWO“核”提供高极化能力，MgO“壳”抑制界面电荷积累，使复合材料在150 °C下实现6.24 J·cm-3的放电能量密度（比纯PEI提升197 %），在400 MV·m-1下仍保持4.80 J·cm-3和87.51 %的效率，并展现出优异的循环稳定性。该研究提出了一种基于核-壳结构填料的有效策略，为极端环境下高性能电介质的应用提供了新思路。
图4 通过“核-壳”结构纳米填料增强的 PEI 基复合材料高温储能性能
上述研究成果分别以《一种简单的表面工程方法用于提升聚合物介电材料的肖特基势垒以实现优异储能性能》（A simple surface engineering approach to enhance the Schottky barrier of polymer dielectrics for superior energy storage performance）《通过在聚合物基体中掺杂 P 型分子半导体形成电子-空穴对以增强储能性能》（Enhanced Energy Storage Performance Through Electron-Hole Pair Formation in Polymer Matrices Doped with P-Type Molecular Semiconductor）《协同调控自由体积与电荷分布提升全有机复合介电材料的高温储能性能》（Superior High-Temperature Energy Storage Performance in All-Organic Composite Dielectrics Achieved by Synergistic Regulation of Free Volume and Charge Distribution）《核壳结构纳米填料提升聚醚酰亚胺基复合材料的高温储能性能》（High-Temperature Energy Storage Performance of Polyetherimide-based Composites Enhanced by Core-Shell Structured Nanofillers）为题发表在国际期刊《材料化学学报A》（Journal of Materials Chemistry A）《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）《微尺度》（Small）以及《微尺度：结构》（Small Structures）上，论文第一作者为西安交通大学电信学部电子科学与工程学院博士生刘涛、刘建君及毕业生郭艳博士（目前就职于河南理工大学），西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授、电气工程学院刘文凤教授、材料学院王轶飞特聘研究员及同济大学翟继卫教授为共同通讯作者，西安交通大学为第一完成单位。
文章链接：
（1）https://doi.org/10.1039/d5ta03960f
（2）https://doi.org/10.1002/adfm.202516202
（3）https://doi.org/10.1002/smll.202507631
（4）http://doi.org/10.1002/sstr.202500460
更多研究内容欢迎访问周迪教授团队主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220
© 版权声明
本文由分享者转载或发布，内容仅供学习和交流，版权归原文作者所有。如有侵权，请留言联系更正或删除。
相关文章
暂无评论...