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图 聚合物-亚纳米片复合电介质的结构和性能
在国家自然科学基金项目（批准号：52388201，52027817、52002207）等资助下，清华大学沈洋教授团队和王训教授团队在高温储能聚合物基亚纳米复合电介质方面取得进展。相关研究成果以“200°C下兼具高能量密度和高循环稳定性的卷对卷生产聚合物-亚纳米片复合材料（Roll-to-roll fabricated polymer composites filled with subnanosheets exhibiting high energy density and cyclic stability at 200 °C）”为题，于2024年1月4日在线发表在《自然•能源》（Nature Energy）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01416-3。
聚合物电介质是薄膜电容器的关键材料，具有充放电速率快、功率密度高、柔性好、易于加工、可以自愈等优势，被广泛应用于严苛环境下的先进电子电力系统，例如电磁能装备、新能源汽车、风/光发电设施等。然而，常用聚合物电介质的击穿场强（Eb，电介质可耐受的最高电场）会随温度上升而急剧下降，导致其高温能量密度（Ud=1/2ε0εrEb2）较低。无机纳米填料掺杂是一种常用的储能性能优化策略，但刚性无机纳米填料与聚合物基体相容性差，常导致聚合物-无机物纳米复合电介质中出现界面缺陷多、填料团聚、柔性损失等问题，这削弱了其在长时间充放电循环中的服役可靠性，也阻碍了其卷对卷生产。
为解决上述问题，该研究团队采用水热法合成了磷钨酸亚纳米片（图），并通过简单的流延法制备了聚合物-亚纳米片复合电介质。这种亚纳米片的厚度不足1 nm，横向尺寸达到3 μm，由磷钨酸团簇周期性排布构成的无机骨架和油胺表面活性剂组成。由于其极小的厚度，亚纳米片具有柔性，可在聚合物基体内部呈现多种状态，例如弯曲状、波浪状、弯折状。亚纳米片可从机械增强和电荷捕获两方面提升聚合物电介质的高温击穿场强。机械增强方面，在面内方向，亚纳米片具有极大的横向尺寸，这使其可以有效传递载荷，从而大幅提升聚合物电介质的杨氏模量，增强击穿路径在电介质内扩展的阻力；在面外方向，亚纳米片本身的高强度能迫使击穿路径绕其扩展，其弯曲形状和大横向尺寸可以有效提高击穿路径扩展的长度和难度，增强聚合物电介质的耐击穿性能。
电荷捕获方面，油胺的引入大幅增强了亚纳米片和聚合物的界面相容性，避免了界面绝缘性能的恶化；大比表面积的亚纳米片可在其周围引入大量界面区域，并凭借其上宽带隙的油胺捕获空间电荷，提高聚合物电介质的绝缘性能；磷钨酸骨架的周期排布团簇结构赋予其极强的电荷容纳和捕获能力，可通过其中大量钨原子的变价进一步捕获电子，降低聚合物电介质的泄漏电流。此外，亚纳米片还可通过调控界面区域的聚合物链段分布而增强其偶极子极化，提高介电常数εr。
在电荷捕获领域，油胺有效提高了亚纳米片与聚合物的界面兼容性，增强了其绝缘性能。亚纳米片的大比表面积和油胺捕获能力，加上磷钨酸骨架的电荷容纳特性，有效降低了聚合物电介质的泄漏电流。此外，亚纳米片调控了聚合物的介电常数，使得含量仅为0.2 wt%的亚纳米片下，聚合物电介质在200°C下具有出色的储能性能。通过乌镇实验室的工业化制程，已成功制备百米级的聚合物-亚纳米片复合电介质薄膜，展现了其大规模生产应用的前景。
该研究工作通过亚纳米片掺杂策略显著提升了聚合物电介质的高温能量密度，厘清了其性能优化机制，首次实现了聚合物-无机物复合电介质的工业化卷对卷生产，为开发高性能聚合物基电介质材料提供了重要指导。