隨著電動汽車、航空航天及地下能源勘探的快速發(fā)展，電子器件在極端高溫和高電場環(huán)境下的穩(wěn)定運行需求日益迫切。作為能量存儲與轉(zhuǎn)換的核心部件，聚合物薄膜電容器因其高功率密度、快速充放電速率及可靠性成為研究熱點。然而，傳統(tǒng)電介質(zhì)材料（如商用雙向拉伸聚丙烯BOPP）的最高工作溫度僅為 105°C，且在高溫下需大幅降低工作電壓（30-50%）以維持性能，這嚴(yán)重限制了其在發(fā)動機等高溫（>120°C）場景中的應(yīng)用。此外，雖然具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物具有較好的耐溫性，但是其在高場強下仍面臨泄漏電流激增和儲能效率驟降的挑戰(zhàn)。這一瓶頸源于高溫與電場耦合作用下電荷注入、激發(fā)及遷移的加劇，導(dǎo)致導(dǎo)電損耗顯著增加且擊穿強度下降。因此，開發(fā)兼具高溫穩(wěn)定性、高儲能密度和低損耗的全有機電介質(zhì)體系，成為該領(lǐng)域亟待突破的核心挑戰(zhàn)。
圖1.高溫 cFPI-PEA 薄膜的分子設(shè)計和熵驅(qū)動構(gòu)建
針對該問題，浙江工業(yè)大學(xué)徐立新/葉會見團隊近日報道了一種由氟代聚酰亞胺（FPI）與柔性聚醚胺（PEA）構(gòu)成的兩親性嵌段共聚物，通過納米級微觀相分離和交聯(lián)策略相結(jié)合制備具有超高儲能密度且可耐極端條件（高溫、高場強）的聚合物電介質(zhì)薄膜。該共聚物中氟代聚酰亞胺（FPI）與柔性聚醚胺（PEA）可形成熱熵驅(qū)動域，態(tài)密度模型顯示兩者存在顯著的電子異質(zhì)性，相互之間的界面勢壘可有效抑制電荷遷移（圖1）。通過引入含雙吸電子基團的三官能團交聯(lián)劑細(xì)化 PEA 相域（從 19.2 nm 降至 13.7 nm）（圖2），可使材料在極端條件下實現(xiàn)超高能量密度（150℃/700 MV/m 時 11.07 J/cm3，200℃/600 MV/m 時 6.45 J/cm3，效率均 > 90%）（圖3），且在 200℃下經(jīng) 10?次充放電循環(huán)后性能保持穩(wěn)定(圖4)。該策略通過兩親性能級工程與熵驅(qū)動相細(xì)化協(xié)同作用，為高溫電容器所需的兼具高儲能密度和高耐溫可靠性聚電介質(zhì)材料的制備提供了創(chuàng)新思路。
圖2. 交聯(lián)誘導(dǎo)的 cFPI-PEA 薄膜結(jié)構(gòu)細(xì)化及表征
圖3. cFPI-PEA 薄膜的介電性能和儲能能力
圖4. cFPI-PEA 薄膜的循環(huán)穩(wěn)定性及抗擊穿機制
圖 5 比較了不同交聯(lián)劑（FPOB、POB、PB）對 cFPI-PEA 薄膜儲能性能的影響，結(jié)果顯示 FPOB 因具有最高的偶極矩（10.9 Debye），其正電勢區(qū)域的面積占比遠高于POB 和PB，這源于–CF?強吸電子效應(yīng)與醚鍵孤對電子的協(xié)同作用，形成了更深的電子陷阱；在 150℃、700 MV/m 下，FPOB 交聯(lián)體系的極化值（3.43 μC cm?2）顯著高于 POB（3.03 μC cm?2）和 PB（2.41 μC cm?2），且在 150℃下隨電場變化的能量密度和效率表現(xiàn)最優(yōu)，POB和PB體系雖也保持良好的高溫儲能性能但均不及FPOB，這表明熵驅(qū)動微相分離的細(xì)化是提升聚合物薄膜儲能能力的有效方法。
圖5.不同交聯(lián)劑的cFPI-PEA薄膜的儲能性能比較
本研究提出一種新型兩親性嵌段共聚物電介質(zhì)材料體系，通過創(chuàng)新分子設(shè)計與納米相工程，引入含強吸電子基團的交聯(lián)分子協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)“剛?cè)岵?/span>”，其中剛性鏈段構(gòu)建高耐熱骨架，柔性相域的高相勢壘抑制載流子遷移，獨特吸電子交聯(lián)位點形成本征電荷陷阱，大幅降低導(dǎo)電損耗。該設(shè)計突破傳統(tǒng)高溫電介質(zhì)在極端場強下的性能瓶頸，賦予材料優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和循環(huán)耐久性，其在高溫高場環(huán)境下具有較高的儲能密度和效率，此外，通過納米相域工程設(shè)計可延緩擊穿過程，展現(xiàn)出卓越的抗疲勞性能，為下一代高功率電容器的長效穩(wěn)定運行提供創(chuàng)新方案。
該研究結(jié)果以“Chain Topology Engineering in Amphiphilic Block Copolymers: Crosslinking-Induced Nanodomain Refinement for Ultrahigh Energy Density under Extreme Conditions”為題發(fā)表于《Advanced Science》，浙江工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生翟福興為論文第一作者，徐立新教授和葉會見副教授為論文共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金（51707175，21474091）、浙江省重點研發(fā)計劃項目（2021C01089）、浙江省自然科學(xué)基金（LTZ20E070001）以及全省先進高分子材料改性與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室（浙江。┖浙江工業(yè)大學(xué)平湖新材料研究院等平臺條件的支持。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202510046
