近日，西安交通大學科研團隊在聚合物基電介質儲能領域取得系列進展，研究成果分別發表在《材料化學學報A》《先進功能材料》《微尺度》以及《微尺度：結構》上。
聚合物電介質因其高耐壓、低介電損耗和優異的運行穩定性，已被廣泛應用于靜電電容器。然而，與介電陶瓷相比，大多數商用聚合物只能在相對較低的溫度（≤105℃）下保持有效工作。當溫度升高時，其絕緣性能和儲能性能顯著退化。在高溫環境下，聚合物內部的電荷注入、激發及傳輸過程會導致漏電流呈指數增長，進而引起能量密度下降和充放電效率降低。這些缺陷嚴重限制了聚合物電介質在高溫高功率電氣應用中的進一步發展。
提升電極/電介質界面肖特基勢壘以實現優異儲能性能。西安交通大學供圖
在高溫和高電場下，聚合物電介質的傳導損耗通常由電極限制和體相限制的傳導過程決定，分別表現為肖特基發射和跳躍傳導機制。肖特基發射發生在金屬電極與電介質表面之間的界面處，來自電極的電荷通過“熱激發”獲得足夠的能量，克服界面勢壘注入到聚合物電介質中。跳躍傳導通常發生在聚合物電介質的體相內，隨著溫度和電場的增加，電荷載流子可以獲得更多的能量來跳過聚合物中長程無序結構在短程有序域之間建立的勢壘，從而導致傳導電流急劇增加。
針對電極限制傳導，西安交通大學教授周迪團隊提出一種簡便的自組裝無機納米層涂覆方法，在商用PET薄膜表面沉積含SiO2薄層，并利用P(VDF-HFP)作為分散介質和粘結層以增強界面結合。實驗結果表明，涂層的引入有效提高了聚合物表面肖特基勢壘，抑制載流子注入，從而顯著提升介電聚合物在高溫下的儲能性能。
針對體相限制傳導，團隊創新性地將P型半導體分子并五苯（PT）引入到聚醚酰亞胺（PEI）基體中。PT的引入能夠在PT與PEI分子鏈的異質結界面形成“電子–空穴對”，從而有效抑制聚合物基體中的載流子遷移。
該測試結果充分驗證了“電子-空穴對”策略在提高聚合物電介質高溫儲能方面的顯著效果。與此同時，團隊基于跨尺度協同調控策略，將介觀尺度的自由體積與分子尺度的電荷陷阱相結合，有效解決了熱-電耦合應力下自由體積塌陷和空間電荷積累的問題。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/d5ta03960f
https://doi.org/10.1002/adfm.202516202
https://doi.org/10.1002/smll.202507631
http://doi.org/10.1002/sstr.202500460
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