突破高温储能极限！全聚合物纳米复合材料实现250°C下8.6 J cm⁻³超高能量密度
在新能源汽车、电力电子、航空航天等高温应用场景中，电容器对介电材料提出了前所未有的要求——不仅要具备高介电常数（K）和高击穿强度（Eb），还要在150°C甚至200°C以上保持低损耗和高效率。然而，传统高温聚合物往往介电常数偏低（K＜4），而引入无机高K填料又会带来柔性下降、导电损耗上升等问题，长期以来难以兼顾“高K、高Eb、低损耗”三大关键指标，成为制约高温电容器性能提升的核心瓶颈。
今日，宾夕法尼亚州立大学章启明教授团队提出一种全新的材料设计范式：通过两种强极性且高度不相容的聚合物自组装，构筑三维全聚合物纳米复合结构，在宽温区内实现超高介电响应与极低损耗，并在150°C、200°C和250°C下分别获得18.7、15.1和8.6 J cm⁻³的放电能量密度，刷新了高温聚合物介电储能的性能纪录。相关成果以“Giant energy storage and dielectric performance in all-polymer nanocomposites”为题发表在《Nature》上，Li Li, Guanchun Rui和Wenyi Zhu为共同第一作者。
自组装三维纳米结构：从相分离中“长”出性能
研究团队选用了两种具有高偶极矩且旋转势垒较低的聚合物：PEI和PBPDA。二者在热力学上高度不相容（χ≈0.74），在50/50 wt%配比下会发生纳米尺度的相分离，自发形成类似自旋分解的三维纳米结构（图1a,b）。扫描电镜清晰显示，材料内部形成尺寸约30–100 nm的纳米域网络，而纯PEI或PBPDA则呈现均一结构（图1c,d）。进一步的AFM与AFM-IR结果（图1e–h）证实，这种纳米域不仅在形貌上分离明显，在化学组成上也形成清晰界面。这些高密度界面为后续的电荷调控与性能提升埋下关键伏笔。相比其他配比，50/50 wt%样品的相分离最为充分，形成最理想的三维纳米复合网络。
图1：PEI/PBPDA 50/50 wt%共混物形成三维自组装纳米域结构的形貌表征。
室温性能跃升：K值翻四倍，能量密度接近30 J cm⁻³
性能测试结果令人惊艳。在1 kHz下，50/50 wt%样品的介电常数高达13.5，远高于单一组分（约3.3），同时损耗角正切仅约0.002，几乎不随频率变化（图2a,b）。更重要的是，在-100°C到200°C的宽温区间内，K值基本保持稳定（图2c），显示出极佳的温度适应能力。P-E回线（图2d）呈现线性特征，说明材料为典型线性介电体。其击穿强度约750 MV m⁻¹，高于纯聚合物样品。得益于高K与高Eb的协同，室温下放电能量密度达到28.9 J cm⁻³（图2e），在当前报道的聚合物线性介电材料中处于领先水平（图2f）。值得一提的是，高K还意味着在实现同等能量密度时可显著降低工作电场。例如获得5 J cm⁻³时所需电场由约600 MV m⁻¹降至280 MV m⁻¹，大幅提升器件可靠性。
图2：材料在室温下的介电常数、损耗、P-E回线与能量密度性能对比
高温下依然强劲：200°C仍超15 J cm⁻³
真正的突破体现在高温性能上。150°C时，该材料的放电能量密度达到18.7 J cm⁻³，远超现有高温聚合物体系。在200°C下，材料仍保持≥90%效率至约470 MV m⁻¹电场，放电能量密度高达15.1 J cm⁻³（图3a,b），明显优于文献报道的8 J cm⁻³级水平（图3c）。即使在250°C（已高于PEI的玻璃化温度）材料依然能实现8.6 J cm⁻³的放电能量密度（图3d,e,f），刷新了高温聚合物储能的纪录。循环测试同样稳健。在150°C和200°C、200 MV m⁻¹条件下，样品在50,000次充放电循环后性能几乎无衰减，SEM观察也未见结构劣化。
图3：材料在150°C、200°C和250°C下的高温储能性能及与文献对比。
深陷阱与界面势垒：破解高温导电损耗
为什么它能在高温下保持高效率？答案在于电荷调控机制。TSDC测试显示，50/50 wt%样品在约209°C出现显著脱陷峰（图4a），对应深陷阱能级约2.07 eV，远高于纯PEI（1.62 eV）与PBPDA（1.26 eV），同时陷阱电荷量也大幅增加。这说明三维纳米界面成为大量深陷阱中心，有效抑制载流子迁移。紫外-可见光谱与DFT计算进一步揭示，两种聚合物能带错位，在界面形成约0.4 eV的势垒，阻挡电子与空穴传输。高密度界面势垒网络构建出“电荷防火墙”，显著降低高场高温下的导电损耗。
结构表征揭示更深层机理。DSC结果显示PEI的Tg基本不随配比变化（图4b），说明体系为典型不相容共混物。然而ΔCp在50/50 wt%时达到最大（图4c），表明链构象发生显著变化——更卷曲、更松弛。FTIR（图4d）显示Ph–O–Ph与C–N振动峰发生明显变化，说明氢键环境与链构象被重构。WAXD与SAXS（图4e）则显示PBPDA结晶度提高、长周期结构发生变化。这些构象调控降低了玻璃态对偶极旋转的限制，使偶极响应得以充分释放，从而实现K值大幅提升。
图4：电荷陷阱、能带结构与链构象变化对性能提升的结构机制解析。
小结
这项研究首次通过“高极性不相容聚合物自组装”策略，构建出三维全聚合物纳米复合结构，在无需无机填料的情况下，实现高K、高Eb、低损耗的协同统一，在250°C仍保持优异储能性能。这一策略不仅突破了高温聚合物储能材料的性能瓶颈，也为未来电动汽车电驱系统、电网高温电子器件、航空航天电容器等领域提供了新的材料设计范式。通过拓展至其他不相容极性共混体系，有望构建更多高性能、高可靠性的全聚合物介电材料，推动高温储能技术迈向新高度。
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