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  電介質電容器由于其超高的功率密度（10⁴~10⁸ W kg^-1），是醫(yī)療除顫器、工業(yè)激光器、電磁炮高能武器系統(tǒng)等脈沖功率應用的關鍵部件，尤其是隨著新能源的發(fā)展，在光伏/風力發(fā)電機并網(wǎng)、新能源電動汽車等領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。其中，成本低、易加工、耐高電壓的聚合物薄膜是目前廣泛應用的電容器電介質材料。然而，由于聚合物薄膜熱穩(wěn)定性差，難以直接在高溫高電場環(huán)境下工作。因此，工業(yè)界通過引入冷卻系統(tǒng)，降低電容器工作環(huán)境溫度。以混合動力汽車換能器中的電容器為例，為使目前商用的雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜材料正常工作，需要冷卻系統(tǒng)將工作環(huán)境溫度從高達150 °C降至80 °C以下，這不可避免地增加了動力系統(tǒng)的質量和體積，降低能源使用效率。針對這一難題，需要實現(xiàn)在高溫實際工作環(huán)境下具有高儲能密度和效率（超越BOPP在室溫下的性能），并且可以長期穩(wěn)定工作的電介質材料。

  中國科學技術大學李曉光教授、殷月偉教授團隊在高溫儲能電介質電容器領域取得重要進展。研究者首先通過控制聚酰胺酸（PAA）向聚酰亞胺（PI）轉化的熱化學反應動力學過程，得到了具有不同PI含量的PI-PAA共聚物。通過綜合PI的耐高溫特性和PAA較高的介電常數(shù)和較寬的帶隙，獲得了0.87PI-0.13PAA這種更為優(yōu)異的高溫儲能聚合物電介質材料。

圖1. PI-PAA共聚物及納米復合材料的結構表征。（a）PI-PAA共聚物的傅里葉變換紅外光譜。（b）不同熱處理溫度制備的PI-PAA共聚物中的PI含量。（c）添加0.1%體積分數(shù)氮化硼納米片的復合材料經(jīng)腐蝕處理后表面的掃描電子顯微圖像，（d）和（e）是其中硼元素和氮元素的能譜掃描圖。

  更進一步地，研究人員在0.87PI-0.13PAA聚合物材料中摻入傾向于平行薄膜表面排布的氮化硼納米片（BNNS）。由于界面效應，極少量的BNNS添加（＜0.3 vol%）即導致了介電常數(shù)的顯著提升（~18%），相關結果也被理論模擬很好地描述。而且，得益于BNNS的高熱導、高絕緣等特性，材料擊穿強度也得到了優(yōu)化。在混合電動汽車中電容器的實際工作條件下（150 °C, 200 MV m^-1），最優(yōu)組分復合材料0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS的儲能密度達到~1.38 J cm^-3，效率高于96%，且在經(jīng)歷20000次循環(huán)充放電測試以及35天耐受性測試后儲能性能依然穩(wěn)定。該儲能密度是目前已報道高溫聚合物基復合材料中最高的，是BOPP薄膜電容器室溫環(huán)境、相同場強下儲能密度的3.5倍。此外，PI-PAA是生產(chǎn)PI過程中的中間產(chǎn)物，可輕易通過調整已大規(guī)模商用的PI薄膜的生產(chǎn)線得到，具有良好的可擴展性。由于PI-PAA制備溫度低于PI，甚至有可能進一步降低生產(chǎn)成本。該介電儲能材料具備在電動汽車、功率電力電子等系統(tǒng)高溫環(huán)境中應用的潛力。

圖2. 0.87PI-0.13PAA基復合材料的介電性能表征和模擬。（a）復合材料介電常數(shù)的頻譜。（b）復合材料介電常數(shù)與摻入納米片的體積分數(shù)關系的實驗和模擬結果。（c）聚合物與納米片界面區(qū)域的介電常數(shù)隨與納米片表面距離的變化關系。（d）不同納米片含量的復合材料的截面介電常數(shù)分布。

圖3. 在150 °C，200 MV m^-1下0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS復合材料的（a）20000次充放電循環(huán)測試和（b）35天高溫耐受性測試。

圖4. 在150 °C下0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS復合材料的儲能性能與其他高溫電介質材料的儲能性能比較。

  相關成果以“Scalable polyimide-poly(amic acid) copolymer based nanocomposites for high-temperature capacitive energy storage”為題在線發(fā)表在《先進材料》（Adv. Mater.）雜志上。中國科學技術大學物理學院和合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生戴智展、包志偉和丁崧為論文共同第一作者，李曉光教授和殷月偉教授為論文通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學技術大學“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202101976