新闻网讯 近日，我校材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院）/材料复合新技术国家重点实验室张鑫教授课题组在高温复合电介质储能材料研究方面取得重要进展，相关成果以“High-temperature capacitive energy stroage in polymer nanocomposites through nanoconfinement”为题发表于Nature Communications（2024, 15, 6655）。武汉理工大学为论文第一完成单位。课题组博士生李昕蕙为第一作者，张鑫教授、清华大学南策文院士以及伍伦贡大学张树君教授为论文的共同通讯作者。论文的重要合作者还包括我校李蓓副教授等。该工作受到国家重点研发计划及国家自然科学基金等项目的资助。

基于电介质材料的介电电容器具有超高功率密度、低损耗以及高工作电压等优点，是广泛应用于电力系统、脉冲功率系统、混合动力汽车以及尖端武器系统等方面的重要储能器件。聚合物薄膜电介质被认为是发展高储能大容量介电电容器的理想储能介质材料，然而聚合物材料储能密度较低，且其储能性能随温度升高而急剧恶化。例如目前广泛使用的商用双向拉伸聚丙烯薄膜电容器储能密度仅2J/cm3，长期稳定工作温度不超过85℃，这严重限制了电容器的小型化发展以及在极端高温环境下的使用。

鉴于此，课题组利用无机陶瓷将聚合物薄膜限制在纳米尺度并制备了聚合物/陶瓷纳米叠层复合材料，通过纳米限域效应有效提升了聚合物薄膜力学及电学特性的热稳定性，进而实现纳米叠层复合材料高温下的超高介电储能密度。分子动力学研究结果表明，纳米叠层复合材料中Al2O3陶瓷对纳米尺度聚醚酰亚胺薄膜的限制效应有效降低了聚合物分子链段的扩散系数以及热运动能力，进而提升其热稳定性。基于纳米限域和界面效应的协同作用，纳米叠层复合材料在高达250°C的温度范围内均表现出优异的击穿场强与储能性能，其中在200°C的高温下实现了18.9J/cm3的超高储能密度及91%的高储能效率。此外，通过将柔性超薄纳米层叠复合薄膜制备于具有弯曲表面的金属导线上，构建了一种新型的金属线型电容器件。与商用电容器相比，基于纳米叠层的金属线电容器在具备更高电容量的同时实现了显著减小的器件体积以及更高的温度使用范围。该研究工作为发展高温高性能柔性聚合物纳米复合材料提供了新的研究思路，并有望拓宽高储能电容器的高温应用场景。

图1 受Al2O3限制的聚醚酰亚胺薄膜的分子热动力学与性能

图2 柔性纳米叠层复合材料及金属线型电容器

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51052-y

张鑫，材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院）/材料复合新技术国家重点实验室教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。长期从事电介质储能材料、柔性传感材料与器件等方面的研究工作。曾获教育部自然科学一等奖（2023）以及中国电介质物理优秀青年奖（2023）等。

文：唐汇；编辑：曹明；审核：严岿