2月27日，Nature子刊《Nature Communications》在2025年第16卷發(fā)表題目為“Enhanced energy storage performance of nano-submicron structural dielectric films by suppressed ferroelectric phase aggregation（通過(guò)抑制鐵電相聚集提高納米-亞微米結(jié)構(gòu)電介質(zhì)薄膜的儲(chǔ)能性能）”的學(xué)術(shù)論文。
該論文針對(duì)當(dāng)前電容器用聚合物電介質(zhì)薄膜儲(chǔ)能密度不足這一關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，創(chuàng)新性地開(kāi)展了全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜的儲(chǔ)能密度與充放電效率協(xié)同提升的研究，為高性能聚合物電介質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)提供了新的研究思路。論文由北京郵電大學(xué)理學(xué)院，信息光子學(xué)與光通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)電機(jī)系，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。第一作者為北京郵電大學(xué)博士生邢錕，北京郵電大學(xué)理學(xué)院畢科教授為本文通訊作者。（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57249-z）。
電介質(zhì)電容器憑借其快速充放電能力、高功率密度以及高可靠性等特點(diǎn)，在現(xiàn)代電子與電氣領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。聚合物電介質(zhì)材料因其質(zhì)輕、易加工、高擊穿強(qiáng)度以及可自修復(fù)等優(yōu)勢(shì)，已成為電容器中電介質(zhì)材料的首選。然而，當(dāng)前聚合物電介質(zhì)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是其儲(chǔ)能密度較低。這一問(wèn)題在很大程度上限制了電子設(shè)備的小型化與集成化進(jìn)程。此外，充放電效率對(duì)于電介質(zhì)電容器的實(shí)際應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。較低的充放電效率不僅會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，還會(huì)引發(fā)焦耳熱效應(yīng)，進(jìn)而加劇電容器性能的下降，并引發(fā)安全問(wèn)題。因此，在提升聚合物電介質(zhì)儲(chǔ)能密度的同時(shí)，保持較高的充放電效率，對(duì)于滿足日益增長(zhǎng)的能源需求以及適應(yīng)各行業(yè)快速發(fā)展的技術(shù)變革至關(guān)重要。
本研究采用靜電紡絲技術(shù)，成功制備了一種多層全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜，其表層為PMMA納米-亞微米纖維，中間層為P(VDF-HFP)@PMMA芯-鞘結(jié)構(gòu)纖維，經(jīng)熱壓處理后形成致密的薄膜。該薄膜在儲(chǔ)能密度與充放電效率方面實(shí)現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化。薄膜介電性能的顯著提升主要?dú)w因于以下兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制：一是基于Poole-Frenkel效應(yīng)的電子遷移限制。在P(VDF-HFP)@PMMA芯-鞘結(jié)構(gòu)中，納米-亞微米級(jí)鞘層PMMA，顯著限制了電子的遷移和跳躍傳導(dǎo)。這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效抑制了電子的自由移動(dòng)，從而顯著提高了電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度。二是基于Schottky效應(yīng)的界面調(diào)控。在電極與電介質(zhì)的界面處，納米-亞微米級(jí)PMMA表層有效阻止了電子從電極注入電介質(zhì)內(nèi)部。這種界面工程策略不僅進(jìn)一步提升了電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度，還顯著提高了充放電效率。
最終，基于納米-亞微米級(jí)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜，在740 kV/mm的高電場(chǎng)強(qiáng)度條件下，成功實(shí)現(xiàn)了80%的超高充放電效率，并取得了13.72 J/cm3的卓越儲(chǔ)能密度。這一儲(chǔ)能密度是目前最先進(jìn)的商用聚合物電介質(zhì)材料—雙軸拉伸聚丙烯(BOPP)的6.5倍。在制備過(guò)程中，靜電紡絲技術(shù)展現(xiàn)出極高的靈活性和多參數(shù)可控性，不僅簡(jiǎn)化了工藝流程，還為高儲(chǔ)能聚合物電介質(zhì)的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可行的技術(shù)路徑，顯著提升了其工業(yè)可擴(kuò)展性。
圖1.全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜的設(shè)計(jì)思路及制備流程
圖2.全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜的循環(huán)穩(wěn)定性與性能對(duì)比
本研究提出的納米-亞微米級(jí)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，成功實(shí)現(xiàn)了全有機(jī)復(fù)合電介質(zhì)薄膜在儲(chǔ)能密度與充放電效率的協(xié)同提升，為開(kāi)發(fā)兼具高擊穿強(qiáng)度、高效率及高儲(chǔ)能密度的復(fù)合電介質(zhì)薄膜開(kāi)辟了新的技術(shù)路徑，并為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了創(chuàng)新性的理論與實(shí)踐范式。
