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)大的無機材料擊穿強度通常都較低，而擊穿強度高的有機材料介電常數(shù)又不高。雖然復(fù)合材料能顯著提高有效介電常數(shù)，但卻難以彌補擊穿強度的降低。這兩者難以協(xié)調(diào)的矛盾，成為制約線性介電材料儲能密度的關(guān)鍵因素，是國際材料科學研究的前沿和熱點。

為了克服線性介電儲能的難題，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能密度，但儲能效率很低，難以應(yīng)用。而反鐵電體和弛豫鐵電體遲滯相對較低，因而效率不錯，但極化強度又不夠。因此極化和遲滯的矛盾，也成了制約非線性介電儲能的關(guān)鍵。

8月6日，電機系李琦副教授、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攝氏度高效介電儲能的全有機復(fù)合薄膜。這類全有機復(fù)合介電材料在200攝氏度高溫條件下的介電儲能性能不僅遠超過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能特性的同時還實現(xiàn)了大面積、性能均勻的薄膜制備，為實現(xiàn)薄膜電容器在200攝氏度嚴酷溫度環(huán)境下應(yīng)用提供了可能。

聚合物薄膜電容器具有介電強度高、能量損耗低以及自愈性好等優(yōu)點，在全球工業(yè)電容器市場占有率超過其它類型電容產(chǎn)品（Source: Paumanok Publications, Inc.）。然而，聚合物介電材料的絕緣性能對溫度極其敏感，在高溫、高電場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-分子半導體復(fù)合體系能級與電荷轉(zhuǎn)移示意圖. b：分子半導體靜電勢分布. c：電極/聚合物界面表面電勢分布.

該論文采用了一種與前期方法截然不同的技術(shù)路線：利用有機光伏中電子受體材料的強得電子能力實現(xiàn)了在高溫聚合物中構(gòu)筑深電荷陷阱。這種有機分子半導體型的電子受體材料具有極高的電子親和能，被廣泛應(yīng)用于有機光伏中激子在異質(zhì)結(jié)界面高效分離。它們可通過其表面靜電勢分布的極不均勻特性對自由電子產(chǎn)生強束縛作用。通過向耐熱聚合物中摻雜極少量高電子親和能有機分子半導體制備了全有機復(fù)合高溫介電材料。這類材料在200攝氏度和200 kV/mm電場條件下電阻率比高溫聚合物提升兩個數(shù)量級以上；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，全有機復(fù)合體系解決了傳統(tǒng)有機-無機復(fù)合體系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等問題，在薄膜品質(zhì)和規(guī)?；苽涞确矫婢哂酗@著優(yōu)勢。

a：聚合物-分子半導體全有機復(fù)合介電薄膜. b：全有機復(fù)合介電材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高溫儲能特性遠優(yōu)于傳統(tǒng)高溫介電聚合物（PEI）. c：高溫高場下全有機復(fù)合介電薄膜長期工作循環(huán)性能.

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

文章來源： 清華電機，知社學術(shù)圈