近日，南方科技大学材料科学与工程系汪宏教授课题组在高温介电储能聚合物电介质领域取得重要进展，相关的研究成果以“Scalable Polyimide Copolymer with Ultrahigh High-Temperature Capacitive Performance Enabled by Modular Molecular Design”为题在国际学术期刊Advanced Energy Materials上发表。

介电电容器是电子设备中使用量最大的电子元器件之一。在众多类型的电容器元件中，聚合物薄膜电容器具有输出电压高、频率范围广、机械灵活性高、充放电循环能力强以及自愈性好等优点，目前在全球高压电容器市场占有率超过了50%。近年来，随着武器装备、能源动力、交通运输系统往集成化以及小型化的发展，更加拉动了聚合物薄膜电容器向高电压、高温、长寿命、大电流、小体积为产品特征性能的快速发展。因此，迫切需要开发具有耐高温（≥150 ℃）、高储能性能的聚合物基电介质材料。

高温高储能密度通常要求材料具有高的介电常数（ε_r）、高的击穿场强（E_b）和高的玻璃化温度（Tg）。然而，传统的高温聚合物具有低的高温储能性能，因为很少有聚合物同时具有高ε_r、高T_g和宽带隙（E_g），这严重限制了在高温场景中的应用，如图1a所示。针对此问题，汪宏课题组利用一系列含有极性基团(-O-，-C(=O)-和-SO₂-)的商业单体来调节聚酰亚胺（PI）薄膜的介电性能、玻璃化温度和带隙。高极性的-SO₂-基团和柔性-O-键使分子链的偶极子的取向与骨架的节段运动解耦，从而使极化弛豫损失最小化，同时保持高的介电常数和宽带隙。其中，SO-PI薄膜兼具高ε_r（4.2；RT, 1 kHz）、宽E_g（3.4 eV）和高T_g（311.2 ℃）。另外，与SS-PI和SC-PI相比，SO-PI薄膜具有更低的介电损耗和更弱的频率和/或温度依赖性。

图1 高温聚合物电介质的设计标准和芳香族聚酰亚胺衍生物合成与筛选

图2 筛选的高介电常数PI薄膜的介电性能

课题组在SO-PI的主链中引入部分脂环结构单元，制备了一种具有优异高温储能性能的含脂环结构的SO-PI共聚物。研究发现，骨架中的非共面脂环基团减少共轭聚酰亚胺骨架上的π电子离域，有效抑制分子内和分子间电荷转移（CT）相互作用。脂环结构链段对自由电子的限制可以被认为是共聚物基体中的电荷捕获。跳跃传导拟合和热刺激去极化电流（TSDC）结果表明，将脂环族链段引入到SO-PI分子的主链中增加了电荷跳跃的相邻位点之间的能垒，并在膜中引入了额外的载流子陷阱位点。

图3 共聚物薄膜的合成、静电势分布、漏电流、热刺激去极化电流和击穿场强

在200 ℃和485 MV m^-1下，SO-PI–14.3共聚物具有4.3 J cm^-3的储能密度，充放电效率可达90%。并且，该共聚物在200 ℃和400 MV m^-1下能提供3.04J cm^-3的储能密度和95%的储能效率，并可连续循环50000次。在200°C和200 MV m^-1下，SO-PI–14.3共聚物薄膜依然具有1.53 μs的超快放电时间和0.67 MW cm^-3的高功率密度。在相同电场下，功率密度是商用BOPP薄膜的在70 °C时的3.5倍。该共聚物薄膜仅使用常规商业单体合成，且制备工艺与目前商用聚合物薄膜的工业生产线兼容，具有广阔的应用潜力。

图4 共聚物薄膜的介电性能和高温储能特性

南方科技大学化学系博士后董久锋为论文第一作者，材料科学与工程系博士后李立为论文的共同第一作者，汪宏教授和美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。此研究得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、国家重点研发计划、中国博士后面上基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303732

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍

编辑：曾昱雯