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  金屬化膜電容器因其具備高功率密度、快速充放電能力以及優(yōu)異的加工性能，在電力系統(tǒng)與醫(yī)療設(shè)備等能量存儲(chǔ)設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的重要作用。近年來(lái)，隨著可再生能源技術(shù)和電磁發(fā)射系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)薄膜電容器的需求持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)其能量存儲(chǔ)性能也提出了更高要求。然而，現(xiàn)有聚合物基薄膜材料普遍存在能量密度偏低的問(wèn)題，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力電子及醫(yī)療設(shè)備對(duì)輕量化、小型化和高度集成化的嚴(yán)苛要求。因此，亟需開發(fā)兼具高能量密度與低能量損耗的新型聚合物基儲(chǔ)能電介質(zhì)材料。

  近日，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰教授團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新策略，通過(guò)剛性萘環(huán)的自由體積與能帶結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，有效解耦偶極玻璃態(tài)聚合物中高能量密度與高能量損耗之間的矛盾（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將2-乙烯基萘（2-VN）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚合，成功合成了一種新型無(wú)規(guī)共聚物P(MMA-VN)（圖2）。共聚引入的剛性萘環(huán)結(jié)構(gòu)有效增大了甲基側(cè)基的自由體積，提升了聚合物的極化能力，并顯著抑制了弛豫損耗（圖3）。此外，萘環(huán)對(duì)能級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控引入了陷阱能級(jí)，增強(qiáng)了載流子俘獲能力，有效降低了漏導(dǎo)損耗以及熱擊穿與電擊穿的風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。當(dāng)VN含量為5 mol%時(shí)，材料的儲(chǔ)能性能最優(yōu)，其在800 MV/m的電場(chǎng)下展現(xiàn)出優(yōu)異性能，能量密度高達(dá)19.3 J/cm3，放電效率超過(guò)89%（圖5），在絕大數(shù)已報(bào)道的聚合物基介電材料中處于領(lǐng)先水平（圖6）。所制備的P(MMA-VN)介電材料在實(shí)現(xiàn)高能量密度與高放電效率協(xié)同提升的同時(shí)，兼具優(yōu)異的溶液加工性及熱/機(jī)械穩(wěn)定性，具備良好的規(guī)模化制備潛力，是面向電動(dòng)汽車、可再生能源系統(tǒng)與柔性電子器件等領(lǐng)域先進(jìn)電容器的理想候選材料。此外，該設(shè)計(jì)策略具有較強(qiáng)的普適性，可拓展應(yīng)用于其他聚合物體系，為開發(fā)新一代高性能介電材料提供了通用平臺(tái)。該研究為提升薄膜電容器的能量存儲(chǔ)性能開辟了新路徑，展現(xiàn)出在介電能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖1. P(MMA-VN)介電儲(chǔ)能性能提升機(jī)理圖

圖2. P(MMA-VN)聚合物薄膜的制備及結(jié)構(gòu)表征

圖3. P(MMA-VN)低電場(chǎng)下介電性能與自由體積表征

圖4. P(MMA-VN)高電場(chǎng)下絕緣性能與能帶結(jié)構(gòu)表征

圖5. P(MMA-VN)的介電儲(chǔ)能性能與循環(huán)穩(wěn)定性

圖6. P(MMA-VN)與已有報(bào)道的先進(jìn)聚合物基介電材料儲(chǔ)能性能對(duì)比圖。

  相關(guān)研究成果以“Synergistic Modulation of Free Volume and Band Structure Assist the High Energy Storage Performance of Polymer Dielectrics”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。西安交通大學(xué)張志成教授、西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰教授為論文的通訊作者，西安交通大學(xué)助理教授張美榮為論文第一作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（NO. 92066204, 52373021, 52403074）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2023YFB3208400),中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（No. xzy012024055），國(guó)家資助博士后項(xiàng)目（GZC20241337），教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（No. xxx-2024-zd010）等項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202506101

  張志成教授主頁(yè)：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang/2

  高登峰教授主頁(yè)：https://www.xjtu.edu.cn/jsnr.jsp?wbtreeid=1632&wbwbxjtuteacherid=1804 

團(tuán)隊(duì)介紹：

張志成教授電功能高分子課題組

課題組簡(jiǎn)介：

  張志成教授團(tuán)隊(duì)的研究領(lǐng)域主要有有機(jī)氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲(chǔ)能高分子的設(shè)計(jì)與可控合成、儲(chǔ)能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無(wú)機(jī)多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個(gè)方向。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有科研人員9人，其中教授4人，副教授3人，助理教授2人，在讀研究生40余人。

  團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來(lái)致力于電功能氟聚合物設(shè)計(jì)合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究，包括新型氟聚合物的設(shè)計(jì)、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲(chǔ)能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來(lái)圍繞氟聚合物的合成改性，開發(fā)了多種基于C-Cl、C-F 鍵活化的可控改性方法，為新型氟聚合物的設(shè)計(jì)合成開辟了新途徑；在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了豐碩的成果；在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應(yīng)用方面開展了相關(guān)工作，積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)（重點(diǎn)1項(xiàng)，面上2項(xiàng)，青年1項(xiàng)），省部級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng)，橫向項(xiàng)目20余項(xiàng)。以第一（通訊）作者共發(fā)表 高水平論文150余篇，發(fā)表 SCI論文被引用3400余次，個(gè)人H因子為33。2010年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號(hào)，獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第3）。現(xiàn)任《高分子通報(bào)》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。

  課題組長(zhǎng)期招收電介質(zhì)儲(chǔ)能、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料等方向的碩士、博士研究生。