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  2021年12月23日，清華大學(xué)電機(jī)系先進(jìn)能源電工材料與器件實(shí)驗(yàn)室（AEEMD）黨智敏教授團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)期刊Chemical Reviews（影響因子60.622）發(fā)表題為Recent Progress and Future Prospects on All-Organic Polymer Dielectrics for Energy Storage Capacitors綜述文章，總結(jié)了電容器用全有機(jī)介質(zhì)薄膜材料以及相關(guān)計(jì)算策略的研究進(jìn)展。

圖1 圖片摘要

  聚合物基儲(chǔ)能電容器因其具有極高的功率密度，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子電氣系統(tǒng)，如分布式電源系統(tǒng)、大功率脈沖應(yīng)用、微波通信、電動(dòng)汽車、地下油氣勘探等。為了提高聚合物薄膜電容器的能量密度，研究人員提出了許多策略，包括無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料、核殼結(jié)構(gòu)填料和多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。然而，上述實(shí)驗(yàn)室制備的聚合物基復(fù)合材料由于工藝復(fù)雜、機(jī)械性能差等限制，目前還無法滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的要求。與受到廣泛關(guān)注的聚合物納米復(fù)合材料相比，全有機(jī)聚合物已被證明是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)過程中更有效的選擇。此外，隨著電容器的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，例如5G通信要求更高頻率的工作環(huán)境，這對(duì)聚合物基電容器的性能，尤其是耐熱性提出了更高的要求。然而，目前的商用薄膜電容器由于其固有的熱穩(wěn)定性較差，無法在沒有冷卻系統(tǒng)的情況下滿足苛刻的溫度要求，因此迫切需要具有優(yōu)異耐高溫性能的聚合物材料。此外，結(jié)合高通量計(jì)算和材料數(shù)據(jù)庫技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算已應(yīng)用于聚合物電介質(zhì)設(shè)計(jì)，以有效地尋找具有高介電常數(shù)、高帶隙和耐高溫性的理想全有機(jī)聚合物。

圖2 論文目錄

  本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關(guān)理論基礎(chǔ)，包括極化、擊穿機(jī)理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規(guī)模制備流程；接著總結(jié)了儲(chǔ)能電容器領(lǐng)域基于全有機(jī)聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點(diǎn)關(guān)注提高介電性能和儲(chǔ)能性能的策略；最后回顧了計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，包括密度泛函理論、機(jī)器學(xué)習(xí)和材料基因組等，在聚合物電介質(zhì)的合理設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。基于對(duì)近期該領(lǐng)域研究進(jìn)展的全面總結(jié)，作者提出了用于儲(chǔ)能電容器用的全有機(jī)聚合物介電材料未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與展望。

圖3 存在的挑戰(zhàn)和未來的展望

  該論文第一作者為清華大學(xué)博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學(xué)電機(jī)系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學(xué)電機(jī)系博士后鐘少龍、清華大學(xué)電機(jī)系博士生裴家耀、鄭州大學(xué)電氣學(xué)院講師趙玉、清華大學(xué)電機(jī)系博士后張冬麗、清華大學(xué)電機(jī)系博士生劉荻帆和清華大學(xué)電機(jī)系博士生張涌新�！�Chemical Reviews》于1924年由美國化學(xué)會(huì)（American Chemical Society）發(fā)行, 是國際化學(xué)化工領(lǐng)域影響力最高的學(xué)術(shù)期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學(xué)類期刊中排名第一。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金和國家自然科學(xué)基金支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793

作者簡介：

  馮啟琨，清華大學(xué)電機(jī)系2019屆博士生，導(dǎo)師為黨智敏教授，主要從事高儲(chǔ)能電容器用薄膜電介質(zhì)以及先進(jìn)絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys. Lett., IEEE Trans. Plasma Sci.等電氣和材料類期刊發(fā)表SCI論文十余篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利5項(xiàng)。曾獲得國家獎(jiǎng)學(xué)金、清華大學(xué)綜合優(yōu)秀獎(jiǎng)學(xué)金等榮譽(yù)。

  黨智敏，現(xiàn)任清華大學(xué)電機(jī)系教授，研究方向集中在先進(jìn)能源/電氣材料和器件領(lǐng)域，特別是儲(chǔ)能聚合物電介質(zhì)。已發(fā)表期刊論文300余篇，當(dāng)前被引次數(shù)超過13000次，H指數(shù)64，作為主編或聯(lián)合主編出版科學(xué)專著7部。擔(dān)任國內(nèi)外多個(gè)刊物的編委，作為發(fā)起人建立了國際刊物IET Nanodielectrics并擔(dān)任主編。最近，在評(píng)選的世界前10萬科學(xué)家中排名第5113位。