Nature:全聚合物納米復合材料

用于電能存儲的介電聚合物需要兼具高介電常數、低損耗和高擊穿強度等關鍵指標，且需具備高溫工作能力。然而，數十年來針對聚合物-無機復合材料的研究在實現這些目標方面進展有限。

在此，賓夕法尼亞州立大學章啟明院士等人設計了一種由兩種偶極聚合物組成的高溫不混溶共混物，通過納米相分離自組裝形成三維全聚合物納米復合材料。所得納米結構誘導了卷曲鏈形態和顯著構象變化，結合兩種聚合物較低的旋轉勢壘和高偶極矩，在寬溫域內產生超高介電響應（K > 13），同時保持低損耗（tanδ ≈ 0.002）。與此同時，納米結構界面作為可移動電荷的屏障，顯著降低了高電場和高溫下的傳導損耗。這種兼具高K、高擊穿強度和低損耗的全聚合物三維納米復合材料，在高溫下實現了前所未有的放電能量密度（150 °C、200 °C和250 °C時分別達到18.7 J cm-3、15.1 J cm-3和8.6 J cm-3）。該策略適用于其他不混溶偶極共混物，展現了其普適性和可調性。本研究解決了電能存儲領域的迫切需求，并為寬溫域高能量密度聚合物電介質材料提供了新范式。

相關文章以“Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites”為題發表在Nature上！

日益增長的小型化電子設備和電力系統需求，呼喚著具有高能量密度Ue和高體積電容效率Ce的介電材料，為實現高Ce，研究者們投入巨大努力以開發在寬溫區內兼具高K和低損耗的聚合物，但成效有限。同時，電動汽車/混合動力汽車、可再生能源電網、地下石油勘探和航空航天電氣化等高溫應用場景對電容器日益增長的需求，迫使聚合物電介質材料在具備高熱穩定性的同時（超過150 °C）兼具高Ue。盡管實現高Ue同時需要高K和高擊穿場強Eb，但這兩者往往相互排斥。高溫環境下，傳導損耗顯著增加、充放電效率降低，使得實現高Ue變得更具挑戰性。

過去十年中，提升高溫下Ue的努力主要集中在：通過聚合物結構設計抑制電荷傳輸、引入寬禁帶納米填料或高電子親和能分子，以及進行表面/層改性。然而，這些策略從根本上受限于高溫聚合物本身固有的低K值（通常K<4），這是由于玻璃態基體限制了偶極子的取向能力。另一方面，人們探索了含高K無機填料的聚合物復合材料以提高K值，但所需的高填料負載量（>10 vol%）會顯著損害機械柔性、增加傳導損耗并降低Eb。含有微量納米填料（<0.5 vol%）的稀相納米復合材料，可通過局域鏈形態調控在低損耗下提高K值，且二維納米填料的效果優于零維和一維填料。如何在稀相納米復合材料中構建三維納米填料，以在高溫下實現卓越的介電和儲能性能，仍然是一個巨大挑戰。

本文報道了一種具有自組裝三維納米結構的全聚合物納米復合材料，該材料在高溫下同時實現了高K、高Eb和低傳導損耗。該材料源于兩種化學結構迥異的偶極聚合物——聚醚酰亞胺和聚（4,4'-聯苯酐-1,4-雙(4-氨基苯氧基)苯）（PBPDA）的不混溶共混物。選擇這些聚合物是基于它們具有高偶極矩和相對較低的旋轉勢壘，且具有高度的不混溶性，Flory-Huggins相互作用參數χ約為0.74，這驅動了50/50 wt%共混物中的納米相分離。這導致了讓人聯想到旋節線分解的三維納米域圖案的自組裝，通過這種圖案可以調控鏈形態和域結構以定制聚合物性能。此類全聚合物納米復合材料在寬溫區（-100 °C 至 200 °C）內產生了高達13.5的K值和約0.002的低tanδ。此外，納米域之間的界面充當了電荷傳輸的屏障，減少了傳導損耗并提高了Eb。這些特性的結合使得材料在高溫下實現了前所未有的 Ue—150 °C 時為18.7 J cm-3，200 °C時為15.1 J cm-3，250 °C時為8.6 J cm-3，這為高溫聚合物電介質材料樹立了新標桿。

圖1：自組裝形貌。

圖2：室溫介電性能。

圖3：高溫電容儲能性能。

圖4：結構表征。

結論展望

綜上所述，本文提出了不相容聚合物共混物，通過形成自組裝的全聚合物納米復合材料，在高溫下顯著增強了介電和儲能性能。在具有低旋轉勢壘的高偶極矩聚合物共混物中，由納米相分離驅動的三維納米結構誘導了顯著的構象變化和卷曲鏈形態，減少了對偶極旋轉的約束，從而實現了巨大的偶極介電響應。結果顯示，50/50 wt%的PBPDA/PEI共混物在寬溫區內表現出高達13.5的介電常數和低損耗角正切。同時，納米區域之間的界面形成了可移動電荷的屏障，顯著降低了高電場和高溫下的電傳導，大幅提升了擊穿場強和充放電效率。這種變革性策略制備出的高溫聚合物同時具備高介電常數、高擊穿場強和低傳導損耗，從而在高達250 °C的溫度下實現了超高的放電能量密度。這項工作為高介電常數、高能量密度的聚合物電介質材料提供了一條新途徑，為寬溫區內廣泛的介電相關應用鋪平了道路。

文獻信息

Li Li, Guanchun Rui, Wenyi Zhu, Yiwen Guo, Zitan Huang, Siyu Wu, Riccardo Casalini, Qing Wang, Zi-Kui Liu, Ralph H. Colby, Seong H. Kim, Wenchang Lu, J. Bernholc & Q. M. Zhang,Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites,Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10195-2

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