介電材料充放電速率快，因而功率極高，在諸多功率器件有廣泛應(yīng)用。但其儲(chǔ)能密度一直難以有顯著提高，究其原因，是介電常數(shù)大的無(wú)機(jī)材料擊穿強(qiáng)度通常都較低，而擊穿強(qiáng)度高的有機(jī)材料介電常數(shù)又不高。雖然復(fù)合材料能顯著提高有效介電常數(shù)，但卻難以彌補(bǔ)擊穿強(qiáng)度的降低。這兩者難以協(xié)調(diào)的矛盾，成為制約線性介電材料儲(chǔ)能密度的關(guān)鍵因素，是國(guó)際材料科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。

為了克服線性介電儲(chǔ)能的難題，許多研究人員也把目光轉(zhuǎn)向非線性電介質(zhì)。鐵電體由于其本征的大極化強(qiáng)度，自然引起許多關(guān)注。但其遲滯行為使得鐵電體雖有較大儲(chǔ)能密度，但儲(chǔ)能效率很低，難以應(yīng)用。而反鐵電體和弛豫鐵電體遲滯相對(duì)較低，因而效率不錯(cuò)，但極化強(qiáng)度又不夠。因此極化和遲滯的矛盾，也成了制約非線性介電儲(chǔ)能的關(guān)鍵。

8月6日，電機(jī)系李琦副教授、何金良教授等在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了題為“Polymer/molecular semiconductor all-organiccomposites for high-temperature dielectric energy storage”的研究論文，首次研制出200攝氏度高效介電儲(chǔ)能的全有機(jī)復(fù)合薄膜。這類(lèi)全有機(jī)復(fù)合介電材料在200攝氏度高溫條件下的介電儲(chǔ)能性能不僅遠(yuǎn)超過(guò)目前最好的高溫聚合物及聚合物納米復(fù)合介電材料，并接近商業(yè)化聚合物電容薄膜室溫下性能；在大幅提升高溫介電儲(chǔ)能特性的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了大面積、性能均勻的薄膜制備，為實(shí)現(xiàn)薄膜電容器在200攝氏度嚴(yán)酷溫度環(huán)境下應(yīng)用提供了可能。

聚合物薄膜電容器具有介電強(qiáng)度高、能量損耗低以及自愈性好等優(yōu)點(diǎn)，在全球工業(yè)電容器市場(chǎng)占有率超過(guò)其它類(lèi)型電容產(chǎn)品（Source: Paumanok Publications, Inc.）。然而，聚合物介電材料的絕緣性能對(duì)溫度極其敏感，在高溫、高電場(chǎng)作用下泄漏電流呈指數(shù)上升、放電效率急劇下降，最終造成電容器過(guò)熱損壞。目前主流商業(yè)薄膜電容器僅在105攝氏度以下工作，長(zhǎng)期工作溫度低于70攝氏度。另一方面，隨著電子器件和電力、能源設(shè)備功率不斷增大以及對(duì)小型化和緊湊型功率模塊的持續(xù)追求，電子材料的工作溫度要求快速提高，薄膜電容器介電材料已成為高溫電子器件和設(shè)備的技術(shù)瓶頸。

a：聚合物-分子半導(dǎo)體復(fù)合體系能級(jí)與電荷轉(zhuǎn)移示意圖. b：分子半導(dǎo)體靜電勢(shì)分布. c：電極/聚合物界面表面電勢(shì)分布.

該論文采用了一種與前期方法截然不同的技術(shù)路線：利用有機(jī)光伏中電子受體材料的強(qiáng)得電子能力實(shí)現(xiàn)了在高溫聚合物中構(gòu)筑深電荷陷阱。這種有機(jī)分子半導(dǎo)體型的電子受體材料具有極高的電子親和能，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)光伏中激子在異質(zhì)結(jié)界面高效分離。它們可通過(guò)其表面靜電勢(shì)分布的極不均勻特性對(duì)自由電子產(chǎn)生強(qiáng)束縛作用。通過(guò)向耐熱聚合物中摻雜極少量高電子親和能有機(jī)分子半導(dǎo)體制備了全有機(jī)復(fù)合高溫介電材料。這類(lèi)材料在200攝氏度和200 kV/mm電場(chǎng)條件下電阻率比高溫聚合物提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；200攝氏度、放電效率90%以上的能量密度是目前最好的聚合物高溫介電材料的2.3倍。此外，全有機(jī)復(fù)合體系解決了傳統(tǒng)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合體系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等問(wèn)題，在薄膜品質(zhì)和規(guī)?；苽涞确矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)。

a：聚合物-分子半導(dǎo)體全有機(jī)復(fù)合介電薄膜. b：全有機(jī)復(fù)合介電材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高溫儲(chǔ)能特性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)高溫介電聚合物（PEI）. c：高溫高場(chǎng)下全有機(jī)復(fù)合介電薄膜長(zhǎng)期工作循環(huán)性能.

論文第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系博士后袁超，通訊作者為電機(jī)系李琦副教授和何金良教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金和創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的資助。

文章來(lái)源： 清華電機(jī)，知社學(xué)術(shù)圈