薄膜電容器因其超高功率密度、高耐壓性、良好可靠性和易加工性，已成為現(xiàn)代電子設(shè)備和電力系統(tǒng)中能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。然而，現(xiàn)有的聚合物介電材料工作溫度較低，導(dǎo)致薄膜電容器在電動(dòng)汽車、航空航天和地下油氣勘探等新興高溫環(huán)境中的電力電子應(yīng)用中無法穩(wěn)定運(yùn)行。例如，電動(dòng)汽車中的近發(fā)動(dòng)機(jī)溫度可超過120℃，而目前用于電動(dòng)汽車功率逆變器的雙軸取向聚丙烯（BOPP）薄膜電容器的工作溫度低于105℃。因此，需要采用冷卻系統(tǒng)將工作溫度從120℃以上降至約70℃，這增加了額外的重量、體積和能耗。

為了解決這一瓶頸問題，深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的張齊艷助理教授、黃雙武特聘教授及其合作者提出并制備了一種具有優(yōu)異高溫電容儲(chǔ)能性能的低熵非晶態(tài)介電聚合物。該工作以“Low-entropy amorphous dielectric polymers for high-temperature capacitive energy storage”為題，于2024年7月23發(fā)表在能源領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Energy & Environmental Science》（中科院一區(qū)及TOP期刊，影響因子：32.4）（DOI: 10.1039/D4EE02455A），深圳大學(xué)為該研究的第一完成單位，論文第一作者為深圳大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的助理教授張齊艷，特聘教授黃雙武為共同通訊作者。

圖1. 低熵非晶態(tài)聚合物對(duì)載流子傳輸?shù)囊种菩Ч皺C(jī)理。

該研究是在前期工作基礎(chǔ)上（Matter，2021，4（7）：2448-2459）進(jìn)行的深入拓展，旨在解決薄膜電容器在高溫下漏電流急劇提升的核心科學(xué)問題。研究提出了一種低熵非晶態(tài)聚合物構(gòu)筑策略。該低熵非晶態(tài)聚合物由高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚（2,6-二甲基-1,4-苯撐氧化物）（PPO）和聚苯乙烯（PS）分子級(jí)共混而成，在高溫和高電場(chǎng)下表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能。材料設(shè)計(jì)原理是利用PS的苯環(huán)與PPO的苯環(huán)之間的強(qiáng)范德華力，在分子水平上“拉伸”主鏈，從而顯著降低非晶態(tài)聚合物的分子構(gòu)象熵，形成隨機(jī)取向但高度緊密堆積的延展聚合物鏈，通過深能級(jí)局部態(tài)抑制電荷傳輸。研究結(jié)果表明，該低熵非晶態(tài)介電聚合物在150℃下表現(xiàn)出5.5?J/cm3的放電能量密度和超過90%的充放電效率，性能優(yōu)于現(xiàn)有的介電聚合物，并顯示出放電能量密度的兩倍以上的提升。此外，與其他方法相比，該薄膜加工工藝（即聚合物共混）更簡(jiǎn)單、直接且成本低，因此該方法為高性能和高質(zhì)量聚合物薄膜的量產(chǎn)鋪平了道路，這些薄膜在高溫薄膜電容器中具有廣泛應(yīng)用。

圖2. 基于低熵非晶態(tài)聚合物所制備薄膜電容的性能表征。

項(xiàng)目支持：該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee02455a