電子發(fā)燒友網綜合報道
在新能源汽車、航空航天、智能電網等領域快速發(fā)展的當下，高溫應用場景對介電儲能材料提出了嚴苛要求，既要兼具高介電常數、高擊穿強度與低介電損耗，還需在150℃以上的高溫環(huán)境中保持穩(wěn)定的儲能性能。然而傳統(tǒng)介電材料長期陷入性能互斥的困境：純高溫聚合物介電常數普遍低于4，儲能密度有限；引入無機高介電填料雖能提升介電常數，卻會導致材料柔性下降、導電損耗劇增，難以滿足實際應用需求。

近日發(fā)表于《Nature》的《Giantenergystorageanddielectricperformanceinall-polymernanocomposites》論文，提出了全新的全聚合物納米復合材料設計范式，通過聚合物自組裝構建三維納米結構，一舉破解了高溫介電儲能的核心瓶頸，刷新了高溫聚合物儲能的性能紀錄。

該研究由賓夕法尼亞州立大學章啟明院士團隊完成，其核心創(chuàng)新在于摒棄了傳統(tǒng)的無機填料改性思路，轉而利用兩種強極性聚合物的自組裝特性構筑全聚合物納米復合體系。研究團隊精準選用聚醚酰亞胺（PEI）與聚（4,4'-聯(lián)苯酐-1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯）（PBPDA）兩種聚合物，二者兼具高偶極矩與低旋轉勢壘的特性，且熱力學上高度不相容，在50/50重量配比下會自發(fā)發(fā)生納米尺度的相分離，形成尺寸約30–100nm的三維納米域網絡結構。這種獨特的自組裝結構不僅讓材料保留了聚合物本身的柔性與加工優(yōu)勢，更通過高密度的納米界面為電荷調控與介電性能提升奠定了基礎，成為實現性能突破的關鍵。

基于這一創(chuàng)新結構設計，該全聚合物納米復合材料展現出遠超傳統(tǒng)材料的介電與儲能性能。在室溫條件下，材料在1kHz頻率下的介電常數高達13.5，是單一組分聚合物的四倍之多，而介電損耗角正切僅為0.002，且損耗值幾乎不隨頻率變化，同時擊穿強度達到750MVm?1，室溫放電能量密度高達28.9Jcm?3，在聚合物線性介電材料中處于全球領先水平。

更值得關注的是，材料擁有極佳的寬溫域適應性，在-100°C到200°C的區(qū)間內介電常數基本保持穩(wěn)定，即便是在高溫環(huán)境下，其儲能性能依舊表現亮眼：150°C時放電能量密度達18.7Jcm?3，200°C下仍保持15.1Jcm?3的超高值，即便在250°C的極端高溫下，仍能實現8.6Jcm?3的放電能量密度，大幅刷新了高溫聚合物介電儲能的世界紀錄。此外，材料的循環(huán)穩(wěn)定性同樣優(yōu)異，在150°C和200°C的高溫、200MVm?1電場條件下，經過50000次充放電循環(huán)后性能幾乎無衰減，結構也未出現任何劣化。

這款材料能在高溫下實現高儲能與低損耗的協(xié)同，核心源于其獨特的電荷調控機制與鏈構象優(yōu)化。測試表明，三維納米界面形成了大量深陷阱中心，深陷阱能級達2.07eV，遠高于單一聚合物，同時兩種聚合物的能帶錯位在界面形成0.4eV的勢壘，構建起高效的電荷防火墻，有效抑制載流子遷移，大幅降低了高場高溫下的導電損耗。

與此同時，納米相分離結構還誘導了聚合物鏈構象的重構，分子鏈呈現出更卷曲、更松弛的狀態(tài)，降低了玻璃態(tài)對偶極旋轉的限制，讓偶極響應得以充分釋放，在提升介電常數的同時，并未犧牲材料的擊穿強度，實現了多項關鍵性能的協(xié)同提升。

這一研究成果的問世，不僅突破了高溫介電儲能材料的性能瓶頸，更開創(chuàng)了全聚合物介電材料的全新設計范式。相較于傳統(tǒng)的聚合物-無機復合材料，該全聚合物體系無需引入無機填料，從根本上解決了填料團聚、界面相容性差等問題，兼顧了高性能、柔性與加工性，且這一設計策略可拓展至其他不相容極性聚合物體系，具備極強的普適性與可調性。