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传统介电聚合物的耐温能力通常低于200°C，无法满足高功率和恶劣条件下电子器件的需求。随着新兴恶劣环境应用对高温性能的严格要求，例如电动汽车、飞机电气化以及深层油气开采，对静电电容器高温性能的追求日益迫切。然而，现有的商业电容器材料，如双向拉伸聚丙烯（BOPP），在超过105°C工作时会产生严重的电导损耗，导致电容性能急剧下降。因此，设计能够在极端温度下维持低电导损耗和高放电能量密度的介电材料仍然是当前研究的核心方向。
基于此，
清华大学李琦副教授等人
基于机械键的分子拓扑设计，通过设计具有机械键的介电聚合物来抑制声子辅助的链间电荷传输，从而克服了高效电容储能高达250 °C的障碍。该研究以“Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage”为题，发表在《Nature Materials》期刊上。
李琦
，清华大学电机系长聘副教授，博士生导师。2013年获武汉理工大学材料学博士学位。2013年3月至2016年11月在美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系进行博士后研究工作。2016年12月入职清华大学电机系，2017年入选国家海外高层次人才引进计划青年项目。主要在介电高分子复合材料及其储能和能量转换等领域开展关键基础及应用技术研究。在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications等期刊发表SCI论文。
1、创新的分子拓扑设计：
研究提出了一种全新的分子拓扑设计方法，将机械键合的环状分子引入到聚合物中，形成聚旋烷结构。这种设计有效地抑制了聚合物链的振动，尤其是抑制了横向波振动，从而显著降低了导电损耗，提高了高温下的电气绝缘性能。
2、高温电容能量存储性能的突破：
所设计的介电聚合物在250 °C时展现出远超传统材料的性能。放电能量密度达到4.1 J/cm
3
，充放电效率高达90 %。这些性能使得新材料能够满足电动交通工具和高功率电子设备在极端温度条件下的需求。
3、长周期高温稳定性：
该研究的聚合物材料表现出超过100,000次充放电循环的高温稳定性，能够在250 °C下长期稳定运行，展现了超出传统电容材料的长期可靠性。这一突破性成果为高温电子设备和电动交通工具等应用提供了可靠的材料解决方案。
图1 通过限制声子振动抑制链间电荷转移的机制示意图
图1通过展示不同的振动模式、电荷转移机制以及创新的分子阻尼器设计，提出了通过限制分子链的振动来抑制高温下的电荷转移，从而减少导电损耗的方案。为了解决高温下的电导损耗问题，研究者设计了一种“分子阻尼器”结构，其中环状分子通过机械键合将其穿入聚合物链，形成聚旋烷结构。环状分子通过限制分子链的振动，将振动能量转化为弹性势能，从而减少振动幅度，最终抑制了分子链之间的电荷转移。这一机制的实施能够显著提高聚合物的高温稳定性和电气绝缘性能。
图2通过分子动力学模拟展示了环状分子如何通过限制聚合物链的振动，尤其是通过抑制横向振动，减少高温下的导电损耗。这一机制显著提高了材料的高温性能，并为高温电容能量存储材料的设计提供了重要理论支持。文章中还提到了振动熵的概念，较低的振动熵意味着较小的链间间距。在环状分子的作用下，聚合物链的局部振动被限制，这导致振动熵的降低。振动熵的降低意味着聚合物的振动强度和链间间距的变化幅度变小，从而提升了材料的高温稳定性。
图3通过电荷迁移行为的分析，展示了环状分子（C
18
）如何通过引入能量障碍和改变电荷迁移能垒，抑制了聚合物链间的电荷转移。这一机制显著提高了聚合物的电气绝缘性能和高温稳定性。环状分子不仅减少了漏电流密度，还改善了聚合物在高温条件下的导电性能，是该研究的关键创新之一。在250°C时，PI-M/C
18
（含不同C
18
浓度）的漏电流密度显著低于纯PI-M聚合物，且随着C
18
浓度的增加，漏电流密度逐渐降低。这表明环状分子通过增强聚合物链的结构稳定性，显著降低了电荷迁移并减少了漏电流，提升了高温下的电气性能。
图4展示了高温电容能量存储性能的优化，重点对不同环状分子（如C
18
、C
24
、C
30
、C
34
）在聚合物中的应用效果进行比较。通过比较不同环状分子对聚合物高温电容能量存储性能的影响，突出了C
34
分子在增强电气绝缘性能、提升放电能量密度和充放电效率方面的优势。环状分子的优化使用显著提高了聚合物的高温稳定性，提供了比传统材料更优的电容能量存储性能。C
34
分子的应用为高温电容储能材料的设计提供了重要的创新方向。
本研究展示了通过分子拓扑设计和机械键合的环状分子，能够显著提升介电聚合物在高温条件下的电容储能性能，提供了一种创新的解决方案，用于满足现代电子设备和高功率系统对高温电容储能材料的需求。同时，为调控聚合物材料中的电荷传输提供了新的维度，有望扩展到与链动力学相关的其他材料行为。
Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage. Nature Materials.
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02130-z
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