高温下全有机无规共聚物实现卓越电容储能性能的研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室的Yang Feng和Shengtao Li，第一作者为Xinru Yang。研究团队还包括Peiyan Liu和Yifan Wu等合作者。论文《Achieving Superior High-Temperature Capacitive Energy Storage in All-Organic Dielectric Random Copolymer》于2025年12月发表在Advanced Functional Materials期刊（DOI: 10.1002/adfm.202527297）。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于高温介电聚合物材料领域，聚焦于电容器能量存储性能的提升。
研究动机：商用双向拉伸聚丙烯（BOPP）因最高工作温度仅85°C，无法满足电动汽车（150°C）或油气勘探（200°C）等高温场景需求。聚醚酰亚胺（PEI）虽具高温稳定性，但其窄带隙（~3.2 eV）导致高温下电荷传输加剧，限制了直流击穿强度（Eb）和能量密度（Ue）的提升。
研究目标：通过在氟化聚醚酰亚胺（FPEI）主链中随机引入大带隙的二胺封端硅氧烷（DMS）链段，构建深陷阱（deep traps）以捕获载流子，抑制高温电荷迁移，从而提升电容储能性能。

三、研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 无规共聚物（S-FPEI）制备：以4,4’-异丙基二苯氧基双邻苯二甲酸酐（BPADA）、2,2’-双三氟甲基联苯胺（TFMB）和DMS为单体，通过原位聚合合成系列共聚物（FPEI-S03至FPEI-S10，数字代表DMS摩尔百分比）。
- 关键步骤：聚酰胺酸（PAA）前驱体经阶梯热亚胺化（60°C至250°C）成膜，厚度10–12 μm。

1. 结构表征

   • 光谱分析：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实亚胺环（─C─N, 1360 cm⁻¹）和─CF₃（1305 cm⁻¹）、Si─O─Si（790 cm⁻¹）的成功引入。
     
   • X射线衍射（XRD）：显示所有薄膜均为非晶态，DMS增加使链间距从0.574 Å（FPEI）扩大至0.602 Å（FPEI-S10）。
     
   • 热性能：差示扫描量热法（DSC）证实单一玻璃化转变温度（Tg），表明无规共聚；热重分析（TGA）显示初始分解温度超过500°C。
     

2. 介电与电学性能测试

   • 介电谱：100 Hz下FPEI-S07的介电常数从20°C的3.4升至200°C的3.7，且全频段介电损耗低于0.02。
     
   • 击穿强度（Eb）：Weibull统计表明，200°C下FPEI-S07的Eb达765.6 MV/m，较纯FPEI提升10.5%。
     
   • 陷阱特性：热刺激去极化电流（TSDC）测试显示，FPEI-S07的深陷阱深度从2.8 eV增至3.0 eV，载流子捕获能力显著增强。
     

3. 储能性能评估

   • D-E回线测试：200°C、650 MV/m下，FPEI-S07的放电能量密度（Ue）达6.31 J/cm³，充放电效率（η）为90.02%，优于多数已报道的聚合物及纳米复合材料。
     
   • 循环稳定性：在200°C、300 MV/m下连续50,000次充放电后，Ue与η保持稳定。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 结构-性能关系：DMS的引入通过窄/宽带隙差异（FPEI: 3.75 eV vs. DMS: 7.26 eV）形成深陷阱，抑制高温载流子迁移，降低导电损耗。
2. Eb提升机制：深陷阱捕获电子缩短 hopping distance（λ）从1.25 nm（FPEI）降至0.75 nm（FPEI-S07），增强击穿强度。
3. 储能性能突破：FPEI-S07的Ue在200°C下为传统PEI的3倍（2.1 J/cm³ @400 MV/m），归因于低漏电流和高极化强度。

五、研究结论与价值
科学价值：提出通过无规共聚调控陷阱深度的新策略，为高温介电聚合物设计提供理论指导。
应用价值：FPEI-S07薄膜在高温电容储能领域（如新能源汽车、航空航天）具产业化潜力。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次将DMS链段共聚引入FPEI主链，通过电子结构差异构建深陷阱。
2. 性能突破：Ue和η在200°C下创纪录，且循环稳定性优异。
3. 理论验证：结合密度泛函理论（DFT）计算与实验，阐明陷阱调控机制。

七、其他价值
- 工艺兼容性：薄膜可通过常规流延法制备，适合规模化生产。
- 扩展性：该策略可推广至其他高温聚合物体系（如聚酰亚胺、聚芳醚酮）。