150℃高温储能破7.35J/cm³！西交大提出聚合物基电介质储能创新思路

电子发烧友网综合报道
在现代工业生产与日常应用中，静电电容器凭借其独特优势，如高功率密度、快速充放电特性、出色的机械柔韧性及可靠的失效机制等，成为先进电气电子系统中不可或缺的关键储能元件。而聚合物电介质作为静电电容器的核心构成部分，因其具备高耐压能力、低介电损耗以及良好的运行稳定性，在该领域占据着举足轻重的地位。
 
不过，随着科技的飞速发展，工业生产和日常应用对聚合物薄膜电容器提出了更为严苛的要求，期望其能够在高温、高电压等极端环境下稳定运行。
 
但现实情况是，大多数商用聚合物在面对高温时表现欠佳。当温度攀升，其内部电荷的注入、激发和传输过程变得异常活跃，导致漏电流呈指数级增长。这一现象直接引发了能量密度的降低以及充放电效率的下滑，严重制约了聚合物电介质在高温高功率电气领域的进一步拓展。
 
西安交通大学周迪教授团队在聚合物基电介质储能领域取得的一系列突破性进展，为解决高温高电压环境下电容器性能衰减的世界性难题提供了创新思路。
 
在电极/电介质界面调控方面，团队创造性地开发了自组装无机纳米层涂覆技术。该技术通过在商用PET薄膜表面沉积含SiO₂薄层，并利用P(VDF-HFP)作为分散介质和粘结层增强界面结合，显著提升了肖特基势垒高度。实验表明，这种简便的表面工程使载流子注入效率降低两个数量级，在150℃高温下仍能保持优异的绝缘性能。这种界面工程不仅解决了高温下电极限制传导的痛点，更为工业化大规模生产提供了可能路径。
 
针对聚合物体相内跳跃传导导致的漏电难题，团队另辟蹊径提出“电子-空穴对”策略。将P型半导体分子并五苯（PT）引入聚醚酰亚胺（PEI）基体后，PT与PEI分子链在异质结界面上形成稳定的电子-空穴对。
 
这种独特的电荷束缚机制有效抑制了载流子迁移，使复合薄膜在150℃下的击穿强度从纯PEI的472.8 MV·m⁻¹跃升至683.6 MV·m⁻¹，同时实现7.35 J·cm⁻³的放电能量密度和90%以上的充放电效率。该成果不仅突破了高温介质材料的设计瓶颈，更开创了利用半导体分子调控介电性能的新范式。
 
进一步地，团队通过跨尺度协同调控策略，实现了分子尺度与介观尺度的双重优化。将聚酰亚胺与聚醚酰亚胺共混形成互穿网络结构，并引入n型有机半导体1,4,5,8-萘四甲酸二酐作为电荷陷阱中心，同步解决了自由体积塌陷和空间电荷积累两大顽疾。这种“分子链修饰-微观结构调控”的协同作用，使复合材料在热-电耦合应力下仍保持稳定的储能特性，为开发全有机高温介电材料指明了方向。
 
在有机-无机复合体系研究中，团队基于前期开发的弛豫铁电材料Bi₆Ti₅WO₂₂，创新性地构建了核壳结构BTWO@MgO纳米填料。通过化学沉淀法精确控制MgO壳层包覆厚度，使BTWO核提供的高极化能力与MgO壳的界面电荷抑制功能完美结合。
 
这种核极化-壳绝缘的协同效应，使PEI基复合材料在150℃下放电能量密度达到6.24 J·cm⁻³（较纯PEI提升197%），在400 MV·m⁻¹场强下仍保持87.51%的效率，循环寿命超过10⁵次。该设计为极端环境电介质提供了可扩展的制备方案。
 
特别值得关注的是，这些突破均建立在严谨的机理解析基础上。团队通过第一性原理计算揭示了SiO₂/PET界面的能带重整化机制，利用开尔文探针力显微镜观测到PT分子形成的深能级陷阱，采用正电子湮没技术量化了自由体积尺寸分布。这种“理论模拟-原位表征-性能验证”的研究范式，使各项创新成果兼具科学深度与应用价值。