图 双链结构聚合物电介质薄膜的分子结构和自组装形貌
在国家自然科学基金项目（批准号：51877132）等资助下，上海交通大学黄兴溢教授团队与合作者在聚合物电工绝缘材料研究领域取得新突破，相关研究成果以“用于高温介电储能的梯藩共聚物（Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage）”为题，于2023年3月2日发表在《自然》 （Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05671-4。该研究同时实现了聚合物电介质薄膜热导和电导的调控，使聚合物薄膜的绝缘性能和导热性能不再是一对矛盾。
聚合物电介质薄膜电容器具有极高的能量转换速率，在电磁能装备、电力电子以及新能源装备等领域的作用至关重要。随着器件、装备往紧凑化、轻量化、工作环境极端化方向发展，对聚合物电介质薄膜的储能密度以及耐高温性能的要求越来越高。电荷存储密度和电场强度的平方成正比，因此，提高电介质薄膜的击穿场强对增加电容器的电荷存储能力至关重要。然而，聚合物薄膜在高电场下以电子电导为主，不再符合欧姆定律，电导电流随电场强度增加呈指数增大，会产生大量的焦耳热。传统聚合物电介质的导热系数普遍较低（< 0.2 W/(mK)），散热效率差，会造成介质温度快速升高，进而引起电导指数增加、击穿场强急速降低等连锁反应，从而造成器件、装备失效等严重问题，在高温下工作的器件、装备的散热问题尤其突出。尽管可以通过纳米添加等方式增加聚合物电介质的导热系数，但这给薄膜制造工艺带来了极大挑战。因此，开发耐高温、本征高导热的聚合物电介质薄膜是最好选择。
研究团队通过等规链段层状排列构建阵列化纳米区域，并在阵列化纳米区域中引入亲电陷阱基团，在大幅提升柔性聚合物电介质薄膜导热性能的基础上使电阻率提升了一个数量级，解决了导热和绝缘的矛盾。聚合物电介质薄膜厚度方向的本征导热系数为1.96 ± 0.06 W/(mK)，是目前报道的绝缘聚合物本征导热系数的最高值。聚合物电介质薄膜在200 oC、90%效率下的放电能量密度为5.34 J/cm3，在50000次充-放电循环后储能性依然稳定，且具有良好击穿自愈性，在电磁能装备、新能源汽车、电力电子装置等领域极具应用前景。