Nature:全聚合物纳米复合材料

用于电能存储的介电聚合物需要兼具高介电常数、低损耗和高击穿强度等关键指标，且需具备高温工作能力。然而，数十年来针对聚合物-无机复合材料的研究在实现这些目标方面进展有限。

在此，宾夕法尼亚州立大学章启明院士等人设计了一种由两种偶极聚合物组成的高温不混溶共混物，通过纳米相分离自组装形成三维全聚合物纳米复合材料。所得纳米结构诱导了卷曲链形态和显著构象变化，结合两种聚合物较低的旋转势垒和高偶极矩，在宽温域内产生超高介电响应（K > 13），同时保持低损耗（tanδ ≈ 0.002）。与此同时，纳米结构界面作为可移动电荷的屏障，显著降低了高电场和高温下的传导损耗。这种兼具高K、高击穿强度和低损耗的全聚合物三维纳米复合材料，在高温下实现了前所未有的放电能量密度（150 °C、200 °C和250 °C时分别达到18.7 J cm-3、15.1 J cm-3和8.6 J cm-3）。该策略适用于其他不混溶偶极共混物，展现了其普适性和可调性。本研究解决了电能存储领域的迫切需求，并为宽温域高能量密度聚合物电介质材料提供了新范式。

相关文章以“Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites”为题发表在Nature上！

日益增长的小型化电子设备和电力系统需求，呼唤着具有高能量密度Ue和高体积电容效率Ce的介电材料，为实现高Ce，研究者们投入巨大努力以开发在宽温区内兼具高K和低损耗的聚合物，但成效有限。同时，电动汽车/混合动力汽车、可再生能源电网、地下石油勘探和航空航天电气化等高温应用场景对电容器日益增长的需求，迫使聚合物电介质材料在具备高热稳定性的同时（超过150 °C）兼具高Ue。尽管实现高Ue同时需要高K和高击穿场强Eb，但这两者往往相互排斥。高温环境下，传导损耗显著增加、充放电效率降低，使得实现高Ue变得更具挑战性。

过去十年中，提升高温下Ue的努力主要集中在：通过聚合物结构设计抑制电荷传输、引入宽禁带纳米填料或高电子亲和能分子，以及进行表面/层改性。然而，这些策略从根本上受限于高温聚合物本身固有的低K值（通常K<4），这是由于玻璃态基体限制了偶极子的取向能力。另一方面，人们探索了含高K无机填料的聚合物复合材料以提高K值，但所需的高填料负载量（>10 vol%）会显著损害机械柔性、增加传导损耗并降低Eb。含有微量纳米填料（<0.5 vol%）的稀相纳米复合材料，可通过局域链形态调控在低损耗下提高K值，且二维纳米填料的效果优于零维和一维填料。如何在稀相纳米复合材料中构建三维纳米填料，以在高温下实现卓越的介电和储能性能，仍然是一个巨大挑战。

本文报道了一种具有自组装三维纳米结构的全聚合物纳米复合材料，该材料在高温下同时实现了高K、高Eb和低传导损耗。该材料源于两种化学结构迥异的偶极聚合物——聚醚酰亚胺和聚（4,4'-联苯酐-1,4-双(4-氨基苯氧基)苯）（PBPDA）的不混溶共混物。选择这些聚合物是基于它们具有高偶极矩和相对较低的旋转势垒，且具有高度的不混溶性，Flory-Huggins相互作用参数χ约为0.74，这驱动了50/50 wt%共混物中的纳米相分离。这导致了让人联想到旋节线分解的三维纳米域图案的自组装，通过这种图案可以调控链形态和域结构以定制聚合物性能。此类全聚合物纳米复合材料在宽温区（-100 °C 至 200 °C）内产生了高达13.5的K值和约0.002的低tanδ。此外，纳米域之间的界面充当了电荷传输的屏障，减少了传导损耗并提高了Eb。这些特性的结合使得材料在高温下实现了前所未有的 Ue—150 °C 时为18.7 J cm-3，200 °C时为15.1 J cm-3，250 °C时为8.6 J cm-3，这为高温聚合物电介质材料树立了新标杆。

图1：自组装形貌。

图2：室温介电性能。

图3：高温电容储能性能。

图4：结构表征。

结论展望

综上所述，本文提出了不相容聚合物共混物，通过形成自组装的全聚合物纳米复合材料，在高温下显著增强了介电和储能性能。在具有低旋转势垒的高偶极矩聚合物共混物中，由纳米相分离驱动的三维纳米结构诱导了显著的构象变化和卷曲链形态，减少了对偶极旋转的约束，从而实现了巨大的偶极介电响应。结果显示，50/50 wt%的PBPDA/PEI共混物在宽温区内表现出高达13.5的介电常数和低损耗角正切。同时，纳米区域之间的界面形成了可移动电荷的屏障，显著降低了高电场和高温下的电传导，大幅提升了击穿场强和充放电效率。这种变革性策略制备出的高温聚合物同时具备高介电常数、高击穿场强和低传导损耗，从而在高达250 °C的温度下实现了超高的放电能量密度。这项工作为高介电常数、高能量密度的聚合物电介质材料提供了一条新途径，为宽温区内广泛的介电相关应用铺平了道路。

文献信息

Li Li, Guanchun Rui, Wenyi Zhu, Yiwen Guo, Zitan Huang, Siyu Wu, Riccardo Casalini, Qing Wang, Zi-Kui Liu, Ralph H. Colby, Seong H. Kim, Wenchang Lu, J. Bernholc & Q. M. Zhang,Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites,Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10195-2

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