清華新聞網(wǎng)10月10日電 聚合物電介質(zhì)在電磁彈射系統(tǒng)的儲(chǔ)能模塊、新能源汽車和風(fēng)/光發(fā)電設(shè)施的逆變器中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)下，研究人員已經(jīng)對(duì)其介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提升進(jìn)行了深入研究，以優(yōu)化其在高溫下的放電能量密度。小分子是一類前景廣闊的填料，具有與聚合物相容性好、化學(xué)結(jié)構(gòu)易于調(diào)整等優(yōu)勢(shì)，常用于提升聚合物電介質(zhì)的儲(chǔ)能性能，但過量的小分子摻雜會(huì)降低聚合物基體的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，這將其最佳摻雜量限制在~1wt%。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院沈洋教授課題組將兩種帶有不同官能團(tuán)（環(huán)己烷和砜基）的小分子作為功能基元，合成了一種兼具寬帶隙、大偶極矩和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的雙官能團(tuán)偶極玻璃聚合物，并制備了雙官能團(tuán)偶極玻璃聚合物-商業(yè)化聚酰亞胺共混電介質(zhì)。雙官能團(tuán)偶極玻璃的分子量超過了30000 g mol-1，因此在較高含量下（~10wt%）依然可以保持聚合物電介質(zhì)在熱場(chǎng)、力場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。雙官能團(tuán)偶極玻璃上的功能基元可以分別提升電介質(zhì)的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)，而偶極玻璃的非線性構(gòu)型和大分子量可以通過調(diào)控極性基團(tuán)周圍的自由體積分布和維持熱穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)其效果。最終，該工作中的聚合物電介質(zhì)在150°C和200°C下分別獲得了8.34 J cm-3和6.21 J cm-3的放電能量密度（充放電效率為90%），并在200°C，600MV m-1的嚴(yán)苛環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了五萬次穩(wěn)定充放電循環(huán)。
雙官能團(tuán)偶極玻璃-聚酰亞胺共混電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能：（a）雙官能團(tuán)偶極玻璃的合成示意圖（b）共混電介質(zhì)的鏈間距、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和楊氏模量（c）共混電介質(zhì)的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)與其他文獻(xiàn)的比較（d）共混電介質(zhì)的高溫能量密度與其他文獻(xiàn)的比較（e）共混電介質(zhì)的高溫充放電循環(huán)穩(wěn)定性
相關(guān)研究成果以“通過協(xié)同優(yōu)化偶極玻璃的帶隙和極化增強(qiáng)聚合物電介質(zhì)的高溫儲(chǔ)能性能”（Enhanced high-temperature energy storage performances in polymer dielectrics by synergistically optimizing band-gap and polarization of dipolar glass）為題，于10月5日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生楊敏錚為論文的第一作者，沈洋和清華大學(xué)材料學(xué)院博士后任偉斌為論文的共同通訊作者，清華大學(xué)材料學(xué)院為唯一通訊單位。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-52791-8
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
