【EES】华北电力大学庾翔&樊思迪团队:从分子工程到规模化生产，芳纶共聚物电介质用于高温储能

一、【导读】

金属化薄膜电容器因其充放电速度快、功率密度高以及循环寿命长等特点，在现代化电气和电子系统得到广泛应用。然而，目前商用聚合物薄膜电容器通常采用双向拉伸聚丙烯（BOPP）作为薄膜材料，其相对介电常数较低，储能密度仅为2~3 J·cm^-3，且长期运行温度需要低于85°C，限制了电容器在高温环境下的应用。而传统耐高温芳香族聚合物材料，如聚酰亚胺（PI）和聚醚酰亚胺（PEI）等，虽然具有较高的玻璃化转变温度（Tg> 210°C），但在高温环境下电荷传导激增会导致能量损耗和焦耳热，易诱发高温下的介电失稳因此。因此，如何在提升聚合物电介质耐温性能的同时，有效抑制其高温漏电流，成为高温储能性能提升的瓶颈问题。

二、【成果掠影】

近日，华北电力大学庾翔&樊思迪团队通过分子工程开发了一种砜基改性芳纶共聚物（PSA-75），将具有非平面结构的砜基引入芳纶分子链中，打破芳环π-π共轭，从而抑制了分子链内的电荷转移。另外通过掺杂三蝶烯（TE）小分子，在PSA-75链间引入电荷陷阱并打破其π-π堆积，进一步抑制分子链间的电荷转移。在150°C下，PSA-75/TE复合电介质薄膜的放电能量密度为5.71 J·cm^-3，同时储能效率仍保持在90%以上。得益于其击穿过程中产生的大量气态热解产物，复合薄膜表现出良好的击穿自愈特性。此外，团队利用卷对卷制造工艺成功生产了大尺寸薄膜，并构筑了叠层电容器单元，验证了其在高温电容储能领域工业化应用的潜力。该成果以“Aramid dielectric co-polymer: from molecular engineering to roll-to-roll scalability for high-temperature capacitive energy storage”为题发表在Energy & Environmental Science上。论文通讯作者分别是华北电力大学电气与电子工程学院庾翔副教授和樊思迪副教授，第一作者为博士生杨瑞。

三、【核心创新点】

（1）通过引入非平面结构的砜基打破芳纶分子内的π-π共轭，抑制其分子内的电荷转移。

（2）通过引入三蝶烯小分子破坏了芳纶链之间的π-π堆积，有效提升了捕获载流子的活化能并减小了跳跃距离，从而抑制了分子间的电荷转移。

（3）砜基有助于热解过程中气态产物的生产，提供了良好的自愈特性。

（4）通过可扩展的卷对卷制造策略生产了工业规模的电介质薄膜，验证了其在大规模制造中的潜力。

四、【数据概览】

图1  基于分子工程的高温储能PSA共聚物设计

图2  PSA-75电介质的机械、介电和电气性能

图3  PSA-75电介质的高温储能性能

图4  PSA-75/TE全有机复合电介质的高温储能性能

图5  PSA-75电介质的自愈特性

图6  PSA-75电介质的规模化生产

五、【成果启示】

该研究报道了一种分子工程策略，通过引入非平面的砜基优化了芳纶分子结构并打破分子链内的π-π共轭，设计了用于高温电容储能的芳纶共聚物（PSA-75）。通过引入有机小分子TE形成PSA-75/TE的异质π-π堆积，构建界面能垒，阻碍电荷转移并加深载流子陷阱。复合电介质在150°C放电密度达到了5.71 J·cm^-3并保持90%以上的储能效率，在200°C下依然保持3.10 J·cm^-3的储能密度。由于分子链中砜基的引入，PSA-75可以在不消耗额外的氧自由基的情况下产生更多气态热解产物，赋予其良好的击穿自愈特性。此外，通过可扩展的卷对卷制造策略生产了工业规模的电介质薄膜，在150°C和400 MV·m^-1的高温高场条件下表现出稳定的高温储能性能。该工作为高温储能电介质的开发提供了一种简单且低成本的方案，为耐高温薄膜在电容储能领域的工业化应用提供了新策略。

原文详情：https://doi.org/10.1039/D5EE00368G

本文由作者供稿