Nature Materials:取得高熵高储能聚合物开创性成果

近日，《自然·材料》（Nature Materials）在线刊发华中科技大学材料学院周华民刘洋团队研究成果：“高熵高储能铁电聚合物”（Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers）。材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位，周华民教授和刘洋教授为论文共同通讯作者，该团队成员博士后李晨祎博士、南方科技大学李波副教授为共同第一作者，合作者还包括材料学院张海波教授，宾夕法尼亚州立大学王庆教授和陈龙庆教授及上海交通大学杨天南副教授等。

高熵合金在2004年被首次提出，后续研究发现高熵合金具有传统合金所无法比拟的优异性能。高熵材料目前是材料科学中一个快速发展的新兴领域。遵循设计高熵合金的科学思想，高熵概念随后在陶瓷等无机非金属材料中得到推广，成功开发出高熵陶瓷这一全新材料。相比于高熵合金和高熵陶瓷材料，高熵聚合物材料的研究仍处于初级阶段，高熵合金发现者叶均蔚教授就在其论文中提到“到目前为止，高熵聚合物鲜有报道”。尤为重要的是，到目前为止还没有像合金和陶瓷一样给出高熵聚合物的定义和判据。

鉴于此，团队提出采用聚合物化学键种类来刻画其熵值∆Sconf的定义:RΣciln[ci]，其中n是化学键的种类个数，ci是某一化学键的摩尔分数。类比于合金和陶瓷，当∆Sconf≥1.5R时，聚合物进入高熵态。根据这一定义，聚合物高熵态需要多种化学键及适当配比才可能诱发，引入单一化学键如C=C或C=O双键即使分数比例较高（比如10 mol%），熵值仍低于1.5R，无法实现高熵态（图1a）。基于此，团队采用低剂量质子束辐照诱导弛豫铁电聚合物产生多种化学反应，一次性引入多种化学键，成功制备高熵聚合物（图1b）。

图1聚合物熵与化学键含量的关系图。a，熵与单一化学键；b，熵与多种化学健。

高熵聚合物具有独特的混乱状态，能够降低局域极化翻转势垒抑制铁电损耗，并通过引入局域强极性化学键提高介电常数和极化强度，协同提升储能性能。例如，传统弛豫铁电态虽然具有高介电常数，但往往具有较低极化强度、较高铁电损耗以及极化过早饱和，限制了其在介电储能电容器领域的应用。团队通过第一性原理计算、相场模拟结合微观结构与性能表征，首次证实了高熵超顺电相的存在（图2a）。区别于弛豫铁电态，高熵态能提升介电常数（图2b），增强极化强度（图2c），降低铁电损耗（图2d）以及推迟极化过早饱和（图2c），进而显著提升介电储能性能。比如，在低电场强度100 MV/m下放电能量密度为3.2 J/cm3，充放电效率为87.2 %，接近商用双向拉伸聚丙烯BOPP在高电场500 MV/m-600 MV/m下的储能性能（图2e和2f）。这为解决弛豫铁电聚合物介电储能应用的瓶颈难题提供了新的思路。

图2 高熵聚合物的介电储能性能。a，温度-辐照剂量相图；b，介电常数；c，电滞回线；d，铁电损耗；e，放电能量密度对比； f，充放电效率对比。

研究还发现高熵策略提升聚合物性能具有一定普适性，不仅大幅提升了介电储能性能，还显著改善了低电场下电卡制冷效应。这为后续设计高性能电活性聚合物材料与器件开辟了新的方向。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02211-z

(来源： 华中科技大学 版权属原作者 谨致谢意）