浙工大徐立新/叶会见AFM封面：通过自由基捕获策略实现聚合物电介质薄膜超高储能性能

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-08 09:20

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在能源结构转型与电子设备革新背景下，储能技术作为现代能源体系的核心支撑，正面临更高的性能要求。聚合物薄膜电容器凭借高功率密度与快速充放电特性，虽已广泛应用于电子设备及电源系统，但其较低的能量密度显著制约了在脉冲功率设备、电动汽车等领域的深度应用。当前亟需在提升薄膜储能密度的同时，确保薄膜电容器在高温、高电场强度等极端工况下的稳定运行，以实现电容器体积优化与可靠性提升的双重突破。

针对电介质材料中普遍存在的电树枝击穿失效难题，浙江工业大学徐立新 / 叶会见团队基于自由基捕获机制，成功开发出具有超高储能特性的聚醚酰亚胺（PEI）复合电介质材料。研究团队首先合成了含共轭双键的超支化聚乙烯共聚物（HBPE@HEPD），并利用其通过液相剥离，成功制得由其非共价修饰的氮化硼纳米片（HEPD-BNNSs）（图1）。在HEPD-BNNSs/ PEI纳米复合材料中，共轭双键通过与自由基发生加成反应，有效延缓了击穿初期电树枝的形成。通过“自由基捕获”策略，所制备的HEPD-BNNSs/PEI薄膜展现出卓越的储能性能，该材料在高温下仍能保持超90%的储能效率，能量密度较商用薄膜提高4倍以上。该研究以“Ultrahigh Energy Storage Capability in Polyetherimide-Based Polymer Dielectrics Through Trapping Free Radicals Strategy”为论文题目发表在《Advanced Functional Materials》。

图1. HBPE@HEPD超支化共聚物的合成和结构表征：（a）捕获自由基的共轭结构示意图，（b）共聚物的合成过程，（c） ¹ H NMR谱图，（d）GPC曲线，（e）FTIR谱图。

图2. 功能化BNNSs/PEI纳米复合材料的介电性能和储能性能：（a）介电常数，（b）介电损耗，（c）10 kHz时介电性能的比较，（d）Weibull击穿分布，（e）450 MV m ^-1 下的P-E回线，（f）450 MV m ^-1 下的电位移，（g–h）25°C和100°C下的能量密度和效率。

如图2所示，HEPD-BNNSs/PEI薄膜展现出卓越的储能性能：当填料含量为0.5 wt.%时，在室温、500 MV m ⁻¹ 场强下具有12.9 J cm ⁻³ 的放电能量密度和>90%的效率；在100℃、350 MV m ⁻¹ 场强下仍保持5.8 J cm ⁻³ 的放电能量密度和90.2%的效率。HBPE@HEPD上的双键通过与自由反应，起到深俘获位点的作用，抑制了电树枝的生长，显著提高了复合材料的介电可靠性。

图3. 功能化BNNSs/PEI纳米复合材料的电性能和循环稳定性：（a）传导损耗，（b）铁电损耗，（c）电导率的Arrhenius函数，（d）电流密度，（e）紫外-可见吸收光谱，（f）0.5 wt.% HEPD-BNNSs/PEI薄膜的循环稳定性。

如图3所示，根据跳跃传导模型，HEPD-BNNSs/PEI的跳跃长度1.09 nm。考虑到短跳跃距离意味着捕获位点深和高密度，可以推断自由基的抑制在HEPD-BNNSs/PEI薄膜中有效完成。图3f中，0.5 wt.% HEPD-BNNSs/PEI薄膜在200 MV m ⁻¹ 场强下实现100000次的充放电循环，展现出良好的循环稳定性。

本研利用纳米片的深陷阱效应和宽带隙特性的协同作用，为提升聚合物在高温下的击穿强度和放电能量密度提供了一种创新策略，同时也为理解静电储能应用中聚合物电介质击穿初期的电树枝抑制机制提供新视角。