聚合物电介质在电磁弹射系统的储能模块、新能源汽车和风/光发电设施的逆变器中发挥着不可替代的作用。当下，研究人员已经对其介电常数和击穿场强的提升进行了深入研究，以优化其在高温下的放电能量密度。小分子是一类前景广阔的填料，具有与聚合物相容性好、化学结构易于调整等优势，常用于提升聚合物电介质的储能性能，但过量的小分子掺杂会降低聚合物基体的结构热稳定性，这将其最佳掺杂量限制在~1wt%。

近日，清华大学材料学院沈洋教授课题组将两种带有不同官能团（环己烷和砜基）的小分子作为功能基元，合成了一种兼具宽带隙、大偶极矩和高结构稳定性的双官能团偶极玻璃聚合物，并制备了双官能团偶极玻璃聚合物-商业化聚酰亚胺共混电介质。双官能团偶极玻璃的分子量超过了30000 g mol-1，因此在较高含量下（~10wt%）依然可以保持聚合物电介质在热场、力场下的结构稳定性。双官能团偶极玻璃上的功能基元可以分别提升电介质的介电常数和击穿场强，而偶极玻璃的非线性构型和大分子量可以通过调控极性基团周围的自由体积分布和维持热稳定性进一步增强其效果。最终，该工作中的聚合物电介质在150°C和200°C下分别获得了8.34 J cm-3和6.21 J cm-3的放电能量密度（充放电效率为90%），并在200°C，600MV m-1的严苛环境下实现了五万次稳定充放电循环。

双官能团偶极玻璃-聚酰亚胺共混电介质的结构与性能：（a）双官能团偶极玻璃的合成示意图（b）共混电介质的链间距、玻璃化转变温度和杨氏模量（c）共混电介质的介电常数和击穿场强与其他文献的比较（d）共混电介质的高温能量密度与其他文献的比较（e）共混电介质的高温充放电循环稳定性

相关研究成果以“通过协同优化偶极玻璃的带隙和极化增强聚合物电介质的高温储能性能”（Enhanced high-temperature energy storage performances in polymer dielectrics by synergistically optimizing band-gap and polarization of dipolar glass）为题，于近日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学材料学院2020级博士生杨敏铮为论文的第一作者，沈洋和清华大学材料学院博士后任伟斌为论文的共同通讯作者，清华大学材料学院为唯一通讯单位。

来源：清华大学

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-52791-8