上海交通大学最新Nature

对于在高温下的电容储能，需要电介质聚合物来集成低导电和高导热。这些看似矛盾性质的共存仍然是现有聚合物的一个长期挑战。

2023年3月1日，上海交通大学黄兴溢及宾夕法尼亚州立大学王庆共同通讯在Nature 在线发表题为“Ladderphane copolymers for high-temperature capacitive energy storage”的研究论文，该研究开发了一种用于高温电容储能的阶梯状聚合物。这种阶梯状聚合物在高电场和高温下，电导率比现有聚合物低一个数量级以上。结果表明，该阶梯状聚合物在200℃时的放电能量密度为5.34 J cm−3，充放电效率为90%，优于现有的介电聚合物和复合材料。

阶梯状聚合物通过π -π叠加相互作用自组装成高度有序的阵列，从而获得了1.96 ± 0.06 W m−1 K−1的内在通平面热导率。聚合物薄膜的高导热性允许有效的焦耳散热，因此，在高温和高电场下具有优异的循环稳定性。该聚合物击穿自愈能力的证明进一步表明了阶梯状结构的应用前景。

以双轴取向聚丙烯(BOPP)为代表的聚合物因其成本低、易加工、重量轻、击穿强度高、失效机制均匀等优点，成为高能量密度电容器的首选介质。用于电动汽车、地下石油/天然气勘探和航空航天系统等高温应用的电能存储激增，要求能够在高电场和高温下工作的介电聚合物。然而，当温度高于85°C时，由于性能和寿命的迅速恶化，BOPP需要有30-50%的电压降额。

近年来，人们在利用具有高玻璃化转变温度(Tg)的工程聚合物制造高温电容器方面作出了巨大努力，但成果有限。泄漏电流随着外加的热场和电场的急剧增加，导致了较大的传导损耗，从而导致较差的充放电效率(η)和较低的放电能量密度(Ud)，即使在远低于聚合物的Tg的温度下也是如此。此外，大的传导损耗引起的焦耳热可能引起热失控和电容器失效。因此，为了有效地消散焦耳热能，高温介质需要较高的导热系数。然而，除金刚石和立方氮化硼等少数几种绝缘性能优良的介质外，其它介质的导热性能都很差。特别是，体型聚合物被认为是特殊的热绝缘体，其热导率范围为0.1至0.3 W m−1 K−1。尽管无机填料已经被引入到聚合物中以阻碍导电并提高导热性，但由于电阻率和导热性通常呈负相关，这两种特性在单一聚合物结构中的集成还没有实现。

化学结构和自组装形态（图源自Nature ）

与现有的体型聚合物相比，该研究同时实现了聚合物阶梯状中最低的高场高温电导率和最大的本征通面导热率。这种源于组成设计和自组装形态的协同作用的阶梯状聚合物的独特特征，使其在各种高温容性储能性能方面有了显著的提高。该研究结果绕过了介电材料的一个显著限制，并建立了聚合物阶梯状结构作为一个有前途的设计平台，将出色的介电性能和高热导率结合在可溶液加工的介质中，用于下一代能源和电子设备。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05671-4

转自：“iNature”微信公众号

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