【儀表網 研發快訊】金屬化膜電容器因其具備高功率密度、快速充放電能力以及優異的加工性能，在電力系統與醫療設備等能量存儲設備中發揮著不可替代的重要作用。近年來，隨著可再生能源技術和電磁發射系統的快速發展，對薄膜電容器的需求持續增長，同時對其能量存儲性能也提出了更高要求。然而，現有聚合物基薄膜材料普遍存在能量密度偏低的問題，難以適應現代電力電子及醫療設備對輕量化、小型化和高度集成化的嚴苛要求。因此，亟需開發兼具高能量密度與低能量損耗的新型聚合物基儲能電介質材料。
近日，西安交通大學化學學院張志成教授團隊聯合西安交通大學第二附屬醫院高登峰教授團隊提出了一種創新策略，通過剛性萘環的自由體積與能帶結構的協同調控機制，有效解耦偶極玻璃態聚合物中高能量密度與高能量損耗之間的矛盾。研究團隊通過將2-乙烯基萘(2-VN)與甲基丙烯酸甲酯(MMA)共聚合，成功合成了一種新型無規共聚物P(MMA-VN)。共聚引入的剛性萘環結構有效增大了甲基側基的自由體積，提升了聚合物的極化能力，并顯著抑制了弛豫損耗。此外，萘環對能級結構的調控引入了陷阱能級，增強了載流子俘獲能力，有效降低了漏導損耗以及熱擊穿與電擊穿的風險。當VN含量為5 mol%時，材料的儲能性能最優，其在800 MV/m的電場下展現出優異性能，能量密度高達19.3 J/cm³，放電效率超過89%，在絕大數已報道的聚合物基介電材料中處于領先水平。所制備的P(MMA-VN)介電材料在實現高能量密度與高放電效率協同提升的同時，兼具優異的溶液加工性及熱/機械穩定性，具備良好的規模化制備潛力，是面向電動汽車、可再生能源系統與柔性電子器件等領域先進電容器的理想候選材料。此外，該設計策略具有較強的普適性，可拓展應用于其他聚合物體系，為開發新一代高性能介電材料提供了通用平臺。該研究為提升薄膜電容器的能量存儲性能開辟了新路徑，展現出在介電能量存儲領域的廣闊應用前景。
相關研究成果以“自由體積和能帶結構協同調控助力聚合物電介質高儲能性能”(Synergistic Modulation of Free Volume and Band Structure Assist the High Energy Storage Performance of Polymer Dielectrics)為題發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學張志成教授、西安交通大學第二附屬醫院高登峰主任為論文的通訊作者，西安交通大學助理教授張美榮為論文第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中央高?；究蒲袠I務費、國家資助博士后項目、教育部重點實驗室開放課題等項目的資助。
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