清华大学解决聚合物电介质高温应用难题的新材料突破！

【研究背景】

聚合物电介质是电静态电容器的重要材料，因其在混合电动车、油气勘探、航空和地热设施等领域的广泛应用而受到重视。与传统的无机电介质材料相比，聚合物电介质具有更好的结构兼容性和绝缘性能。然而，这类材料在提高放电能量密度（Ud）的同时，往往面临击穿强度（Eb）和极化（εr）之间的负耦合关系，限制了其高温应用的稳定性。因此，提升聚合物电介质的整体性能面临诸多挑战。

近日，来自清华大学沈洋、Weibin Ren等研究人员在聚合物电介质的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了一种聚合物混合电介质，结合了常见的聚酰亚胺和一种由小分子组件合成的双功能偶极玻璃（DG）聚合物。这一新型材料不仅在高达10 wt%的加载量下保持了良好的热稳定性，还显著提升了电介质的极化和击穿强度。通过优化分子结构，该团队实现了在150°C时达到8.34 J cm−3和在200°C时达到6.21 J cm−3的超高放电能量密度，且充放电效率高达90%。

利用这种新型聚合物混合电介质，研究人员成功解决了传统材料在高温下性能不稳定的问题，显著提高了电介质的整体性能，并展示了在高电场下的循环稳定性。这项研究为聚合物电介质的应用提供了新的技术路径，为未来在电力系统中的使用奠定了坚实的基础。

【表征解读】

本文通过多种表征手段对所研究的聚合物膜进行了系统分析，揭示了其微观结构和性能特征。使用SEM和TEM显微镜观察膜的横截面形态和晶体结构，发现其均匀性和细微结构特征，为理解材料的物理特性提供了重要依据。AFM拓扑图像的获取进一步揭示了膜表面的微观形态，显示出其平整度和纳米级别的粗糙度，为后续性能研究奠定了基础。

针对膜的热力学特性，本文采用DSC和TGA技术，得到了相变温度和热稳定性的重要参数，表明该材料在高温环境下的优越性能。通过GPC分析，得到了聚合物的分子量和分布，明确了其在合成过程中可能存在的聚合度不均匀性，这对理解材料的力学性能至关重要。同时，XRD图谱的测量揭示了膜的晶体结构，确认了其相对有序性，为解释电气性能提供了重要线索。

在电学性能方面，通过D-E循环和介电光谱的测量，本文探讨了膜在高电场和低电场下的行为，发现其具有良好的介电性能和耐击穿能力。热刺激去极化电流（TSDC）的测试，揭示了材料内部极化机制，进一步分析了其在不同温度和电场下的表现。这些微观机制的表征为理解材料在实际应用中的性能提供了深刻的洞察。

通过密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟，本文还对聚合物和分子的几何结构及其静电势分布进行了深入分析，提供了理论基础以解释实验观察到的现象。特别是MD模拟的结果帮助确认了聚合物链的动态行为和相互作用，为后续新材料的设计提供了指导。

总之，经过SEM、TEM、AFM、DSC、TGA、XRD、GPC、D-E循环、TSDC等多种表征手段的深入分析，本文对聚合物膜的微观结构和宏观性能进行了系统研究，揭示了其优异的电学和热学特性。这些发现为制备新型高性能材料提供了理论依据，推动了电介质材料领域的进一步发展，展示了在未来应用中的广泛潜力。

聚合物-双功能偶极玻璃（DG）混合物的设计与表征

参考文献：Yang, M., Ren, W., Jin, Z. et al. Enhanced high-temperature energy storage performances in polymer dielectrics by synergistically optimizing band-gap and polarization of dipolar glass. Nat Commun 15, 8647 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52791-8