北京
聚合物薄膜电容器是新能源汽车、电力电子、油气勘探及航空电气化装备中的核心储能元件。随着装备向高功率密度和极端环境服役方向发展，现有聚合物电介质在高温条件下的储能性能显著衰减，已成为制约薄膜电容器进一步发展的关键材料瓶颈，亟需构建兼具高耐热性与优异储能性能的新型电介质材料体系。
聚醚酰亚胺（PEI）具有较高的玻璃化转变温度、优异的热稳定性和介电性能，是面向 200 ℃级乃至更高温度储能应用最具潜力的聚合物电介质之一。然而，随着温度升高，聚合物链段热运动显著增强，芳香链段构象重排及苯环间 π–π 堆叠的形成概率增加，易构筑有利于载流子迁移的局域输运通道，导致电导损耗和漏电流快速增加，进而引发击穿强度与充放电效率下降，使储能性能发生显著劣化。
因此，如何通过调控高温下的链段构象动力学，抑制芳香链段 π–π 堆叠及其诱导的载流子输运，进而实现高温电导抑制与储能性能稳定化，是开发高性能耐高温聚合物储能电介质亟待解决的关键科学问题。
针对上述问题，西安交通大学科研团队提出了"空间位阻限域构象"的分子设计思路，在PEI主链中引入两个三氟甲基（–CF₃）侧基（2F-PEI），利用空间位阻效应阻碍链段靠近与堆叠；同时以溶剂热法合成钛氧苯胺纳米团簇为立体交联中心，将PEI分子链锚定于三维交联网络，结合界面深陷阱的电荷束缚作用，有效降低了体系构象熵抑制高温下载流子输运，使得材料体系的载流子迁移率较纯聚合物降低75%，200 ℃下击穿场强由432 MV/m大幅提升至630 MV/m，开发出的新型高性能储能材料在150 ℃和200 ℃下分别实现9.0和8.2 J/cm³的超高放电能量密度（效率>90%），制备的多层聚合物电容单元200 ℃下介电损耗仅为0.069，并可在200 ℃下10⁵次充放电循环稳定运行。
研究成果以《配体保护的钛氧纳米团簇交联网络实现了介电薄膜卓越的高温储能性能》（Ligand-protected titanium-oxo nanocluster crosslinked networks enabled exceptional high-temperature energy storage in dielectric films）为题发表在国际能源环境领域顶级期刊《能源环境科学》（Energy & Environmental Science）（IF=30.5）上，被杂志社选为热点论文（HOT article, top 10%）。西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室刘泳斌副教授和博士生侯水亭为本文共同第一作者，高景晖教授、陈光辉教授和前沿学院娄晓杰教授为共同通讯作者，钟力生教授也对工作进行了重要指导，西安交通大学为唯一通讯作者单位。该工作受国家自然科学基金、国家重点研发计划以及西安交通大学博士研究生交叉培养项目的支持。
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内容来源：西安交大电工材料电气绝缘全国重点实验室
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