清华大学沈洋：用于电容储能的聚合物纳米复合电介质发展现状 | 研究综述

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研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

聚合物电介质是薄膜电容器的核心材料，具有功率密度高、充放电速率快、使用温度范围大、耐电压能力强等优势，在各类先进电子电力系统（如电磁能装备、新能源汽车、风/光发电设施）中发挥着不可替代的作用。然而，聚合物电介质的能量密度相较于锂电池、超级电容器等电化学储能器件较低，例如工业上常用的双轴拉伸聚丙烯的能量密度仅有5 J cm-3，且只能在105℃以下使用。为了实现器件的小型化和集成化，并保证其在严苛服役环境中的性能稳定性，聚合物电介质的高温能量密度亟待提升。

沈洋团队从纳米技术的角度综述了高温储能聚合物电介质领域的研究现状。聚合物电介质的高温能量密度可通过对电介质的极化曲线积分得到，而极化曲线的形状主要受三个关键因素影响：介电常数、击穿场强和热稳定性。介电常数决定了极化曲线的斜率，击穿场强决定了极化曲线的最大横坐标，而热稳定性决定了极化曲线形状随温度的变化趋势。要开发高温高能量密度聚合物基电介质，需要使其同时具有高介电常数、高击穿场强和高热稳定性。

接着，研究团队梳理了提高其高温能量密度的主要研究方向，包括提升介电常数的关键在于增加偶极子数目和减弱偶极子取向阻碍，增强击穿场强需要侧重电介质的机械增强和电荷捕获，保障性能热稳定性需要兼顾高结构热稳定性和快速热导。

基于上述研究方向，课题组介绍了不同尺度的纳米技术，如宏观层面的纳米级表面包覆、填料层面的纳米填料掺杂、链段层面的聚合物交联、单体层面的聚合物结构设计等。在此之外，聚合物纳米复合电介质的界面区域也会对其性能产生重要影响，例如电学方面会影响电荷分布，产生电场突变；力学方面会造成界面区域的局部软化，产生高密度的界面缺陷；热学方面会影响由电极向电介质的电荷注入。

最后，研究团队还从机制层面、技术层面和应用层面对高温储能聚合物电介质的未来发展方向进行了展望。

研究团队

通讯作者 沈洋：清华大学材料学院教授

通讯作者 南策文：中国科学院院士、清华大学材料学院教授

通讯作者 张树君：澳大利亚卧龙岗大学教授

第一作者 杨敏铮：清华大学材料学院2020级直博生

论文信息

发布期刊 《自然·纳米技术》 Nature Nanotechnology

发布时间 2024年1月3日

文章标题 Polymer nanocomposite dielectrics for capacitive energy storage

（https://www.nature.com/articles/s41565-023-01541-w）

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