【儀表網 研發快訊】聚合物電介質在電磁彈射系統的儲能模塊、新能源汽車和風/光發電設施的逆變器中發揮著不可替代的作用。當下，研究人員已經對其介電常數和擊穿場強的提升進行了深入研究，以優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、化學結構易于調整等優勢，常用于提升聚合物電介質的儲能性能，但過量的小分子摻雜會降低聚合物基體的結構熱穩定性，這將其最佳摻雜量限制在~1wt%。
 

　　近日，清華大學材料學院沈洋教授課題組將兩種帶有不同官能團(環己烷和砜基)的小分子作為功能基元，合成了一種兼具寬帶隙、大偶極矩和高結構穩定性的雙官能團偶極玻璃聚合物，并制備了雙官能團偶極玻璃聚合物-商業化聚酰亞胺共混電介質。雙官能團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在熱場、力場下的結構穩定性。雙官能團偶極玻璃上的功能基元可以分別提升電介質的介電常數和擊穿場強，而偶極玻璃的非線性構型和大分子量可以通過調控極性基團周圍的自由體積分布和維持熱穩定性進一步增強其效果。最終，該工作中的聚合物電介質在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的嚴苛環境下實現了五萬次穩定充放電循環。
 

　　雙官能團偶極玻璃-聚酰亞胺共混電介質的結構與性能：(a)雙官能團偶極玻璃的合成示意圖(b)共混電介質的鏈間距、玻璃化轉變溫度和楊氏模量(c)共混電介質的介電常數和擊穿場強與其他文獻的比較(d)共混電介質的高溫能量密度與其他文獻的比較(e)共混電介質的高溫充放電循環穩定性
 

　　相關研究成果以“通過協同優化偶極玻璃的帶隙和極化增強聚合物電介質的高溫儲能性能”(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日發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　清華大學材料學院2020級博士生楊敏錚為論文的第一作者，沈洋和清華大學材料學院博士后任偉斌為論文的共同通訊作者，清華大學材料學院為唯一通訊單位。