清华大学 Nat. Commun：通过协同优化偶极玻璃的带隙和极化，增强了聚合物电介质的高温储能性能

聚合物电介质在现代电气系统的静电电容器中发挥着不可替代的作用，人们对其极化和击穿强度（Eb）进行了深入研究，以优化其在高温下的高放电能量密度（Ud）。小分子已被探索用作填料，但它们会降低基体的热稳定性，限制了它们的最佳负载为~1 wt%。在此，我们开发了一种聚合物混合电介质，由普通聚酰亚胺和双功能偶极玻璃聚合物组成，后者由两种具有宽带隙和大偶极矩的小分子成分合成。具有大分子量的双功能偶极玻璃不仅能在聚合物混合物中保持热稳定性，即使在10 wt% 的高负载条件下也能保持热稳定性，而且还能比任何单个成分大幅增强极化和Eb，实现8.34 J cm-3 (150 °C) 和 6.21 J cm-3 (200 °C) 的超高Ud值，充放电效率高达90%。

图文简介

聚合物-双功能偶极玻璃( DG )共混物的设计与表征

聚合物- DG共混物的极化和耐击穿性能

聚合物- DG共混物的高温储能性能

可靠性和批量生产

总之，我们通过两种小分子（即宽Eg的HPMDA和高μ的NS）的缩合聚合合成了一种双官能团DG聚合物，并开发出一种在宽温度范围内具有良好热稳定性的聚合物-DG共混电介质。DG具有超过30000 g mol-1 的大分子量，保证了整体电介质在高温下的结构稳定性，这一点可以从聚合物-DG共混物保持的内聚能密度、Tg和更高的密度得到证明。此外，DG中的HPMDA和NS可作为功能成分同时提高聚合物的Eb和εr。更值得注意的是，DG的非线性结构通过机械强化聚合物、捕获电荷和调节极性基团周围的自由体积，进一步增强了这两种效应。因此，FPI-8 wt% DG混合物在150 °C和200 °C时分别达到了8.34 J cm-3 和6.21 J cm-3 的超高Ud90，超过了大多数已报道的聚合物基介电材料。此外，FPI-8 wt% DG在200 °C 600 MV m-1 的电场下进行50000 次长期充放电循环时表现出稳定的性能，具有大规模生产的潜力。这项研究表明，双功能DG全面改善了聚合物电介质的高温电容储能性能，并为开发高性能聚合物基电介质指明了一种聚合物共混策略。

论文信息

通讯作者： Weibin Ren,Yang Shen