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  金屬化膜電容器因其具備高功率密度、快速充放電能力以及優(yōu)異的加工性能，在電力系統(tǒng)與醫(yī)療設(shè)備等能量存儲設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的重要作用。近年來，隨著可再生能源技術(shù)和電磁發(fā)射系統(tǒng)的快速發(fā)展，對薄膜電容器的需求持續(xù)增長，同時對其能量存儲性能也提出了更高要求。然而，現(xiàn)有聚合物基薄膜材料普遍存在能量密度偏低的問題，難以適應(yīng)現(xiàn)代電力電子及醫(yī)療設(shè)備對輕量化、小型化和高度集成化的嚴(yán)苛要求。因此，亟需開發(fā)兼具高能量密度與低能量損耗的新型聚合物基儲能電介質(zhì)材料。

  近日，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授團(tuán)隊聯(lián)合西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰教授團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新策略，通過剛性萘環(huán)的自由體積與能帶結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控機(jī)制，有效解耦偶極玻璃態(tài)聚合物中高能量密度與高能量損耗之間的矛盾（圖1）。研究團(tuán)隊通過將2-乙烯基萘（2-VN）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚合，成功合成了一種新型無規(guī)共聚物P(MMA-VN)（圖2）。共聚引入的剛性萘環(huán)結(jié)構(gòu)有效增大了甲基側(cè)基的自由體積，提升了聚合物的極化能力，并顯著抑制了弛豫損耗（圖3）。此外，萘環(huán)對能級結(jié)構(gòu)的調(diào)控引入了陷阱能級，增強(qiáng)了載流子俘獲能力，有效降低了漏導(dǎo)損耗以及熱擊穿與電擊穿的風(fēng)險（圖4）。當(dāng)VN含量為5 mol%時，材料的儲能性能最優(yōu)，其在800 MV/m的電場下展現(xiàn)出優(yōu)異性能，能量密度高達(dá)19.3 J/cm3，放電效率超過89%（圖5），在絕大數(shù)已報道的聚合物基介電材料中處于領(lǐng)先水平（圖6）。所制備的P(MMA-VN)介電材料在實現(xiàn)高能量密度與高放電效率協(xié)同提升的同時，兼具優(yōu)異的溶液加工性及熱/機(jī)械穩(wěn)定性，具備良好的規(guī)模化制備潛力，是面向電動汽車、可再生能源系統(tǒng)與柔性電子器件等領(lǐng)域先進(jìn)電容器的理想候選材料。此外，該設(shè)計策略具有較強(qiáng)的普適性，可拓展應(yīng)用于其他聚合物體系，為開發(fā)新一代高性能介電材料提供了通用平臺。該研究為提升薄膜電容器的能量存儲性能開辟了新路徑，展現(xiàn)出在介電能量存儲領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖1. P(MMA-VN)介電儲能性能提升機(jī)理圖

圖2. P(MMA-VN)聚合物薄膜的制備及結(jié)構(gòu)表征

圖3. P(MMA-VN)低電場下介電性能與自由體積表征

圖4. P(MMA-VN)高電場下絕緣性能與能帶結(jié)構(gòu)表征

圖5. P(MMA-VN)的介電儲能性能與循環(huán)穩(wěn)定性

圖6. P(MMA-VN)與已有報道的先進(jìn)聚合物基介電材料儲能性能對比圖。

  相關(guān)研究成果以“Synergistic Modulation of Free Volume and Band Structure Assist the High Energy Storage Performance of Polymer Dielectrics”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。西安交通大學(xué)張志成教授、西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院高登峰教授為論文的通訊作者，西安交通大學(xué)助理教授張美榮為論文第一作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（NO. 92066204, 52373021, 52403074）、國家重點研發(fā)計劃 (2023YFB3208400),中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費（No. xzy012024055），國家資助博士后項目（GZC20241337），教育部重點實驗室開放課題（No. xxx-2024-zd010）等項目的資助。

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202506101

  張志成教授主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang/2

  高登峰教授主頁：https://www.xjtu.edu.cn/jsnr.jsp?wbtreeid=1632&wbwbxjtuteacherid=1804 

團(tuán)隊介紹：

張志成教授電功能高分子課題組

課題組簡介：

  張志成教授團(tuán)隊的研究領(lǐng)域主要有有機(jī)氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲能高分子的設(shè)計與可控合成、儲能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無機(jī)多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個方向。團(tuán)隊現(xiàn)有科研人員9人，其中教授4人，副教授3人，助理教授2人，在讀研究生40余人。

  團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來致力于電功能氟聚合物設(shè)計合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究，包括新型氟聚合物的設(shè)計、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來圍繞氟聚合物的合成改性，開發(fā)了多種基于C-Cl、C-F 鍵活化的可控改性方法，為新型氟聚合物的設(shè)計合成開辟了新途徑；在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了豐碩的成果；在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應(yīng)用方面開展了相關(guān)工作，積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國家自然科學(xué)基金項目4項（重點1項，面上2項，青年1項），省部級科研項目8項，橫向項目20余項。以第一（通訊）作者共發(fā)表 高水平論文150余篇，發(fā)表 SCI論文被引用3400余次，個人H因子為33。2010年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃，2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號，獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎二等獎（排名第3）�，F(xiàn)任《高分子通報》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。

  課題組長期招收電介質(zhì)儲能、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料等方向的碩士、博士研究生。