武漢理工大學材料科學與工程國際化示范學院（材料與微電子學院）/材料復合新技術國家重點實驗室張鑫教授課題組在高溫復合電介質儲能材料研究方面取得重要進展，相關成果以“High-temperature capacitive energy stroage in polymer nanocomposites through nanoconfinement”為題發表于Nature Communications（2024, 15, 6655）。武漢理工大學為論文第一完成單位。課題組博士生李昕蕙為第一作者，張鑫教授、清華大學南策文院士以及伍倫貢大學張樹君教授為論文的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括我校李蓓副教授等。該工作受到國家重點研發計劃及國家自然科學基金等項目的資助。

基于電介質材料的介電電容器具有超高功率密度、低損耗以及高工作電壓等優點，是廣泛應用于電力系統、脈沖功率系統、混合動力汽車以及尖端武器系統等方面的重要儲能器件。聚合物薄膜電介質被認為是發展高儲能大容量介電電容器的理想儲能介質材料，然而聚合物材料儲能密度較低，且其儲能性能隨溫度升高而急劇惡化。例如目前廣泛使用的商用雙向拉伸聚丙烯薄膜電容器儲能密度僅2J/cm3，長期穩定工作溫度不超過85℃，這嚴重限制了電容器的小型化發展以及在極端高溫環境下的使用。

鑒于此，課題組利用無機陶瓷將聚合物薄膜限制在納米尺度并制備了聚合物/陶瓷納米疊層復合材料，通過納米限域效應有效提升了聚合物薄膜力學及電學特性的熱穩定性，進而實現納米疊層復合材料高溫下的超高介電儲能密度。分子動力學研究結果表明，納米疊層復合材料中Al2O3陶瓷對納米尺度聚醚酰亞胺薄膜的限制效應有效降低了聚合物分子鏈段的擴散系數以及熱運動能力，進而提升其熱穩定性。基于納米限域和界面效應的協同作用，納米疊層復合材料在高達250°C的溫度范圍內均表現出優異的擊穿場強與儲能性能，其中在200°C的高溫下實現了18.9J/cm3的超高儲能密度及91%的高儲能效率。此外，通過將柔性超薄納米層疊復合薄膜制備于具有彎曲表面的金屬導線上，構建了一種新型的金屬線型電容器件。與商用電容器相比，基于納米疊層的金屬線電容器在具備更高電容量的同時實現了顯著減小的器件體積以及更高的溫度使用范圍。該研究工作為發展高溫高性能柔性聚合物納米復合材料提供了新的研究思路，并有望拓寬高儲能電容器的高溫應用場景。

圖1 受Al2O3限制的聚醚酰亞胺薄膜的分子熱動力學與性能

圖2 柔性納米疊層復合材料及金屬線型電容器

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51052-y

張鑫，材料科學與工程國際化示范學院（材料與微電子學院）/材料復合新技術國家重點實驗室教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者。長期從事電介質儲能材料、柔性傳感材料與器件等方面的研究工作。曾獲教育部自然科學一等獎（2023）以及中國電介質物理優秀青年獎（2023）等。