金属化薄膜电容器广泛应用于现代电气和电子设备的能量存储。双向拉伸聚丙烯（
BOPP
）薄膜因其卓越的击穿强度（
~700 MV/m
）、超低介电损耗（
10⁻⁴
至
10⁻³
）、优异的加工性、自愈能力以及低成本，
而被商业电容器广泛应用。然而，随着电动汽车和电磁能设备等领域的集成化和微型化迅速发展，储能电介质材料不仅需具备更高的储能密度，还必须具备优异的耐温性能。因此，迫切需要开发兼具高储能密度和卓越耐温性能的聚合物电介质材料。
为了提高聚合物电介质的高温储能性能，并解耦高储能密度和低能量损耗之间的矛盾关系，近日,
西安交通大学化学学院张志成教授团队
提出了一种通过在熔融挤出造粒过程中物理引入极性缺电子的
8-
羟基喹啉（
8-HQ
）来改性聚丙烯（
PP
）
介电储能性能的新
策略。缺电子的
8-HQ
分子最初设计用于捕获在高电场下注入的电荷，抑制漏电流密度。令人意外的是，研究发现它们
可以
在
PP
晶粒的边界处积聚，
诱导
PP
晶粒的生长，从而增强了
PP
薄膜的机械强度。这两种效应共同促进了
PP/8-HQ
的高击穿场强。
8
-HQ
中极性基团的引入可以提高
PP/8-HQ
的介电常数。击穿场强和介电常数的协同提高，最终实现储能性能的综合提升。
研究结果发现
8-HQ
的缺电子效应和结晶诱导效应共同促进了
8-HQ
击穿场强的显著提高，高达
814 MV/m
。室温环境下，
PP/8-HQ
薄膜的放电能量密度为
9.87 J/cm³
，放电效率超过
90%
（
@ 800 MV/m
）。令人欣喜的是在
125
o
C
时
，
PP/8-HQ
薄膜的放电能量密度仍可保持在
6.96 J/cm³
，并具有
83%
的放电效率和优异的循环稳定性
。此外，该团队首次通过偏光显微镜和荧光显微镜联用观察和证明了
8
-HQ
对
P
P
结晶行为的影响过程和机理
，
8-HQ
与
PP
分子链之间的弱相互作用增强了
PP
链段的运动性，促进其有序排列，从而
诱导晶粒尺寸增长，且在退火过程中，
8-HQ
分子均匀地被驱逐到晶粒边界，改善了其
在
PP
基体中的分散性。
这项工作通过物理改性调控
P
P
的结晶行为并显著改善其介电储能性能和耐温性能，为高储能低损耗聚合物电介质的制备提供了新策略。
图
1
.
采用熔融挤压铸造和退火工艺制备
PP/8-HQ
薄膜
图
2 PP
和
PP/8-HQ
薄膜
的结晶行为和热力学性质。
PP
和
PP/8-HQ-X(A)
薄膜的
(a)
傅立叶变换红外光谱；
(b) XRD
谱图；
(c)
晶粒尺寸和
FWHM
图；
(d)
结晶曲线及
(e)
T
m
和
X
c
%
；
(f)PP/8-HQ
的
IRI
图；
(g)PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的
POM
电子照片和
(h)
荧光电子显微镜照片。
图
3 PP
和
PP/8-HQ
薄膜
的机械性能。
PP
和
PP/8-HQ-X(A)
薄膜的
(a)
应力
-
应变曲线；
(b)
杨氏模量和断裂伸长率及
(c) DMA
谱图；
(d)8-HQ
促进
PP
链段移动的示意图。
图
4 PP
和
PP/8-HQ
薄膜
的介电性能。
(a)
PP
和
8
-HQ
复合材料的
0-3
模型结构及
(b)
静电电势；
(c)PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的常温介电性能；
(d)PP/8-HQ-X(A)
和
PP
薄膜的介电性能与
8
-HQ
含量关系图；
(e)PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的介电温谱；
(f)25
℃
时
PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的
DE
曲线及
(g)
高电场下的介电常数。
图
5 PP
和
PP/8-HQ
薄膜
的高电场绝缘性能。
PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的
(a)
击穿强度；
(b)25
℃
时的泄漏电流曲线；
(c)125
℃
时的泄漏电流曲线；
(d)
等温表面电位衰减
(ISPD)
曲线；
(e)PP
和
8-HQ
的
LUMO
和
HOMO
能级分布；
(f)8-HQ
在
PP
晶界构建电荷陷阱以及载流子捕获示意图。
图6
PP
和
PP/8-HQ
薄膜
的储能和循环稳定性。
(a) 25
℃
和
(
b)
1
25
℃
时
PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜的储能密度和放电效率；
(c)
本研究与其他已报道的
PP
基介电材料在
25
℃
、
125
℃
和
90% η
时的
U
e
比较；
(d)PP
和
PP/8-HQ-3(A)
薄膜在
25
℃
和
200 MV/m
下的充放电循环性能；
PP
和
PP/8-HQ-X(A)
薄膜的
(e)
接触角和粗糙度；
(f)180
°
金属电极剥离；
(g)
自愈图。
相关研究成果以“
Significantly Enhancing the Energy-Storage Properties of Polypropylene Films by Physically Manipulating Their Permittivity and Crystalline Behavior with Polar Organic Molecules
”
为题发表在《
Advanced Functional Materials
》。西安交通大学
张志成
教授、
张美荣
助理教授为论文的通讯作者，西安交通大学硕士研究生
马东
为论文第一作者。感谢国家自然科学基金（
No.92066204, 52403074, 52473602, 52373021
）、
中央高校基本科研业务费（
No. xzy012024055
）对本文的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202418631
作者介绍：
张志成：西安交通大学化学学院教授，博士生导师。主要研究领域包括新型氟聚合物的设计与可控合成，新型电介质的分子设计与偶极调控，电活性高分子及其在高储能电容器、压电传感器等领域的应用等。
张美荣：西安交通大学化学学院助理教授。主要研究方向为高储能低损耗聚合物电介质的设计合成、及其介电储能性能研究。
团队介绍：
张志成教授电功能高分子课题组
课题组简介：
张志成教授团队的研究领域主要有
有机氟化学与氟聚合物化学改性、先进储能高分子的设计与可控合成、储能聚合物复合电介质研究、智能材料合成与传感器应用、生物医学功能材料、无机多孔材料水污染治理应用研究等六个方向。团队现有科研人员
9
人，其中教授
4
人，副教授
3
人，助理教授
2
人，在读研究生
40
余人。
团队负责人张志成教授十几年来致力于电功能氟聚合物设计合成及先进聚合物电介质研究，包括新型氟聚合物的设计、改性方法、氟聚合物材料的结构性能关系研究、电活性氟聚合物及其在高储能电容器、传感器等领域的应用等。近年来围绕氟聚合物的合成改性，开发了多种基于
C-Cl
、
C-F
键活化的可控改性方法，为新型氟聚合物的设计合成开辟了新途径；在氟聚合物铁电压电特性及电性能调控方面进行了系统研究，并取得了丰硕的成果；在铁电聚合物薄膜传感器及能量收集应用方面开展了相关工作，积累了一定的研究基础。主持国家自然科学基金项目
4
项（重点
1
项，面上
2
项，青年
1
项），省部级科研项目
8
项，横向项目
20
余项。以第一（通讯）作者共发表 高水平论文
150
余篇，发表
SCI
论文被引用
3400
余次，个人
H
因子为
33
。
2010
年入选教育部新世纪优秀人才计划，
2019
年获得陕西省职工十大创新创业人物称号，获
2021
年陕西省技术发明奖二等奖（排名第
3
）。现任《高分子通报》、《
IET Nanodielectric
》、《
Reactive and Functional Polymers
》、《大学化学》等期刊编委。
课题组相关研究：
http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang
课题组长期招收电介质储能、介电弹性体、聚合物铁电压电材料等方向的硕士、博士研究生。
相关进展
