電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報道
在新能源汽車、脈沖功率系統(tǒng)等領(lǐng)域，聚合物薄膜電容器憑借超高功率密度與快速充放電能力，成為關(guān)鍵儲能部件。

然而，長期以來，商用聚合物材料始終面臨性能瓶頸,雙向拉伸聚丙烯（BOPP）雖應用廣泛，介電常數(shù)僅約2.2，擊穿強度不足600 MV/m，儲能密度受限；芳香族聚合物如聚酰亞胺、聚碳酸酯雖具備高絕緣性，但強π-π堆疊效應會導致高電場下電導損耗劇增，同樣難以滿足高性能需求。開發(fā)兼具高儲能密度、高充放電效率與優(yōu)異穩(wěn)定性的聚合物電介質(zhì)材料，成為全球儲能領(lǐng)域亟待突破的難題。

針對這一行業(yè)痛點，西安交通大學婁曉杰教授課題組創(chuàng)新提出空間位阻調(diào)控策略，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計打破性能桎梏。團隊選擇金剛烷功能化降冰片烯（NBAd）與芳香側(cè)鏈降冰片烯（PNB2APS）進行共聚，結(jié)合分子動力學模擬，成功制備出 P (NB2APS-co-NBAd0.05) 新型聚合物材料。

a) 設(shè)計策略示意圖。b) P(NB2APS-co-NBAd0.05)與其他近期新合成的聚合物材料的最大Ud和BDS比較。c) 在200MV/m循環(huán)數(shù)下的BOPP和P(NB2APS-co-NBAd0.05)的放電能量密度和放電效率。

這一設(shè)計的核心突破在于首次將位阻抑制機制應用于聚合物儲能領(lǐng)域：金剛烷基團的引入，使芳香側(cè)鏈間距從6.8?擴大至7.4?，有效削弱了π-π堆疊效應，同時提升了材料自由體積分數(shù)，為擊穿強度提升奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。

實驗數(shù)據(jù)顯示，該新型材料展現(xiàn)出遠超傳統(tǒng)材料的綜合性能。在擊穿強度方面，P (NB2APS-co-NBAd0.05)達到865 MV/m，較基體材料提升42%，大幅降低高電場下?lián)舸┦эL險；儲能密度更是實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，在1000 MV/m超高電場下，放電能量密度（Ud）達到23.5J/cm3，是商用BOPP材料的4.12倍，即便在800 MV/m電場下，Ud仍保持15 J/cm3，且儲能效率（η）超90%，兼顧高儲能與低損耗。

更值得關(guān)注的是其卓越的穩(wěn)定性，經(jīng)過10萬次充放電循環(huán)后，材料的放電能量密度與儲能效率均未出現(xiàn)明顯衰減，且具備獨特的擊穿自修復能力——通過將(C+N+S)/(O+H)原子比控制在1.07的低水平，材料擊穿后產(chǎn)生的碳化區(qū)域可自動與電極隔離，避免故障擴大，極大延長使用壽命。

在與近期其他新合成聚合物材料的對比中，P (NB2APS-co-NBAd0.05)的優(yōu)勢同樣顯著。從最大放電能量密度與擊穿強度的綜合性能來看，該材料在已報道的同類研究中處于領(lǐng)先水平，尤其在高電場穩(wěn)定性與循環(huán)壽命上，展現(xiàn)出不可替代的競爭力。

這一成果不僅為高性能電容儲能聚合物材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了全新思路——通過精準調(diào)控分子空間結(jié)構(gòu)解決性能矛盾，更打破了“高儲能密度必然伴隨高損耗”的行業(yè)認知，為聚合物電容器向更高功率、更長效、更可靠方向發(fā)展提供了可行路徑。

據(jù)悉，該研究成果以《通過削弱新型聚降冰片烯中的π-π堆疊效應實現(xiàn)超高電容儲能》為題，發(fā)表于國際著名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials），西安交通大學前沿科學技術(shù)研究院為論文第一完成單位，博士生張斌為第一作者，婁曉杰教授為通訊作者。