张美荣、王景阳、程一品等作者团队在《Advanced Functional Materials》期刊（2025年5月9日发表，卷35期42，文章编号2506101）上报道了一项关于聚合物电介质能量存储性能提升的原创研究。该研究通过合成新型无规共聚物P(MMA-VN)，结合自由体积调控与能带结构修饰，成功解决了高能量密度与高放电效率难以兼得的难题。
学术背景
薄膜电容器因其高功率密度、高击穿强度等优势广泛应用于电力系统与武器装备。但现有商用聚合物电介质（如BOPP、PVDF基材料）存在能量密度低（BOPP的介电常数ε_r仅2.2）或弛豫损耗高（PVDF损耗>30%）的缺陷。偶极玻璃态聚合物虽兼具适中ε_r与高击穿强度（E_b），但其强极性基团或刚性共轭结构易导致高温高场下的损耗加剧。研究团队提出通过引入刚性萘环侧链，协同调控自由体积与能带结构，以突破性能瓶颈。
研究流程
材料合成与表征
- 共聚物设计：通过甲基丙烯酸甲酯（MMA）与2-乙烯基萘（2-VN）溶液共聚，合成系列P(MMA-VN)共聚物（VN含量0-15 mol%）。
- 结构验证：利用核磁共振氢谱（1H NMR）确认化学结构（萘环质子峰7.0-8.0 ppm，甲氧基质子峰3.6-3.8 ppm）；凝胶渗透色谱（GPC）显示分子量（Mn=6.8×10⁴-1.1×10⁵ g/mol）与分散指数（PDI=1.3-1.6）可控。
- 微观分析：荧光显微镜证实VN单元均匀分散；差示扫描量热法（DSC）显示玻璃化转变温度（T_g）随VN含量增加（123.6→127.5°C），表明萘环抑制主链弛豫。
介电性能调控
- 自由体积效应：分子动力学模拟（COMPASS II力场）显示5 mol% VN使自由体积增加70%（PMMA 24 nm³→P(MMA-VN) 41 nm³）。
- 极化增强：密度泛函理论（DFT）计算表明，萘环使偶极矩从1.9 Debye（PMMA）提升至4.3 Debye，介电常数ε_r从3.6（PMMA）增至4.0（100 Hz）。
- 损耗抑制：β弛豫活化能（E_a）从0.83 eV（PMMA）降至0.76 eV，证实甲基侧基运动阻力降低，弛豫损耗减少。
绝缘性能优化
- 击穿强度提升：Weibull分析显示5 mol% VN使E_b达868 MV/m（较PMMA提升68%），高温（100°C）下仍保持675 MV/m。
- 漏电流控制：萘环引入深陷阱能级（LUMO从-0.05 eV降至-1.32 eV），热刺激去极化电流（TSDC）证实陷阱密度增加，漏电流密度降低2个数量级。
储能性能验证
- 能量密度突破：最优样品P(MMA-VN)-2在800 MV/m下实现19.3 J/cm³的超高能量密度（较PMMA提升210%）与>89%效率。
- 高温稳定性：100°C时仍保持14.2 J/cm³（700 MV/m），远超BOPP的2.5 J/cm³（400 MV/m）。
- 循环耐久性：15,000次充放电后性能无衰减，且薄膜具备优异柔性与透光性（图4i）。
结论与价值
该研究通过“自由体积扩张-能带陷阱工程”协同策略，首次在单一聚合物中实现能量密度与效率的双重突破。其科学价值在于揭示了刚性侧链对偶极极化和电荷捕获的协同调控机制；应用价值体现在为电动汽车、可再生能源系统的高性能电容器提供了新材料解决方案。
研究亮点
- 创新材料设计：首次将萘环侧链用于同时调控自由体积与能带结构，突破传统介电材料的性能限制。
- 性能指标领先：能量密度（19.3 J/cm³）与效率（>89%）综合性能优于绝大多数已报道的聚合物/无机复合材料（图5对比数据）。
- 普适性方法论：该策略可拓展至其他极性玻璃态聚合物体系，为下一代介电材料开发提供新范式。
其他发现
- 机械性能增强：萘环使杨氏模量（Y）提升，通过公式E_b∝(Y/ε_r)^0.5进一步强化击穿强度。
- 工业化潜力：溶液浇铸法制备的薄膜具备良好的可加工性，兼容现有电容器卷绕工艺。
（注：全文实验数据详见支持信息文档adfm202506101-sup-0001-suppmat.docx）