清華新聞網(wǎng)2月17日電 介電高分子是電絕緣,、功率型電能存儲等關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)材料,。隨著電氣設(shè)備和電子器件功率持續(xù)增長以及應(yīng)用場景不斷拓展，介電高分子材料正面臨著更為嚴苛的高溫,、高電場運行工況要求,。盡管使用寬能帶隙、高耐熱介電高分子能夠提升溫度性能,，但當溫度上升至200°C以上并同時施加強電場,，這類材料的電阻率和介電儲能性能均大幅下降?；诂F(xiàn)有介電高分子中電荷傳導(dǎo)理論和抑制方法無法突破材料耐溫性能與絕緣性能之間的矛盾,。
2月14日，清華大學(xué)電機系李琦課題組在《自然·材料》（Nature Materials）在線發(fā)表題為“具有機械鍵的高溫儲能介電聚合物”（Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage）的研究論文,。研究揭示了介電高分子在極端高溫,、高電場下的電荷傳導(dǎo)機制,，并采用超分子化學(xué)方法構(gòu)建了一類具有“分子阻尼器”效應(yīng)的新型聚輪烷型介電高分子材料，實現(xiàn)極端工況下高絕緣和高效介電儲能,。
圖1.電荷轉(zhuǎn)移機制以及超分子化學(xué)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計
課題組通過對多種耐熱介電高分子材料進行熒光發(fā)射光譜研究發(fā)現(xiàn),，當溫度升至200°C以上區(qū)間時，分子鏈內(nèi)電荷傳導(dǎo)變化不大,，但分子鏈間電荷傳導(dǎo)顯著增加,，并且電荷轉(zhuǎn)移機制是以隧穿為主導(dǎo)，而不是典型的能帶傳輸,。由此,，課題組提出，在此條件下介電高分子中的電荷傳導(dǎo)機制主要為聲子輔助的鏈間電荷隧穿,。在無序,、本征低電導(dǎo)體系中，聲子對載流子的作用不再是阻礙傳輸,，而是增強電導(dǎo)（electron-phonon coupling）,，聲子輔助電荷轉(zhuǎn)移不受能帶隙寬度影響，并強烈依賴于溫度相關(guān)的分子鏈局部振動,。這一物理機制在此前的耐高溫介電高分子研究中被忽略,，這也解釋了此前開發(fā)的高耐熱,、寬能帶隙介電高分子在極端工況下不具有高絕緣性的根本原因,。
進一步，課題組為了限制聲子輔助的鏈間電荷隧穿,，利用超分子化學(xué)方法將冠醚類環(huán)形分子穿套在線形的聚酰亞胺分子鏈上,，形成具有聚輪烷結(jié)構(gòu)的介電高分子。第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示,，冠醚類環(huán)形分子和聚酰亞胺分子鏈之間形成的機械鍵能夠?qū)⒄駝幽苻D(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣菽?，從而抑制高溫下聚合物分子鏈的局部振動和聲子輔助鏈間電荷轉(zhuǎn)移。這種“分子阻尼器”使得這類具有聚輪烷結(jié)構(gòu)的介電高分子在極端高溫,、高電場下能夠克服主要電導(dǎo)機制,。
圖2.分子鏈振動的分子動力學(xué)計算以及熒光光譜測試
分子動力學(xué)模擬和實驗結(jié)果表明，冠醚類小分子傾向于位于分子鏈的拐點處（電荷轉(zhuǎn)移薄弱處）,，并與聚合物分子鏈之間形成鏈間勢壘,，進一步限制電荷輸運。通過對十種冠醚類小分子以耐高溫,、高鏈間電荷勢壘以及低分子鏈振動熵為原則進行篩選,，挑選出最佳的冠醚結(jié)構(gòu)。最優(yōu)分子拓撲結(jié)構(gòu)聚合物在250°C極端溫度下的絕緣電阻率比商業(yè)化耐熱介電高分子高四個數(shù)量級以上,，放電能量密度高達4.1J/cm3,，充放電效率高于90%,。這類材料的應(yīng)用將有助于突破傳統(tǒng)電氣設(shè)備和電子器件的工作溫度和功率上限，大幅降低熱管理成本,。
圖3.電荷轉(zhuǎn)移行為和電荷傳導(dǎo)機制
圖4.冠醚分子結(jié)構(gòu)的篩選以及高溫介電儲能性能
清華大學(xué)電機系李琦副教授為論文通訊作者,，博士后王瑞為論文第一作者，博士生朱雨杰為論文共同第一作者,。研究得到國家自然科學(xué)基金項目的支持,。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02130-z
供稿：電機系
編輯：李華山
審核：郭玲
