1月3日、4日，beat365沈洋教授課題組圍繞“高溫儲能聚合物電介質”主題，先後在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）期刊和《自然·能源》（Nature Energy）期刊上發表綜述和研究成果。

聚合物電介質是薄膜電容器的核心材料，具有功率密度高、充放電速率快、使用溫度範圍大、耐電壓能力強等優勢，在各類先進電子電力系統（如電磁能裝備、新能源汽車、風/光發電設施）中發揮着不可替代的作用。然而，聚合物電介質的能量密度相較于锂電池、超級電容器等電化學儲能器件較低，例如工業上常用的雙軸拉伸聚丙烯的能量密度僅有5 J cm^-3，且隻能在105℃以下使用。為了實現器件的小型化和集成化，并保證其在嚴苛服役環境中的性能穩定性，聚合物電介質的高溫能量密度亟待提升。

圖1.聚合物電介質的應用與研究現狀

沈洋課題組首先從納米技術的角度綜述了高溫儲能聚合物電介質領域的研究現狀。根據影響聚合物電介質高溫能量密度的三個關鍵因素“介電常數”“擊穿場強”和“熱穩定性”，梳理了提高其高溫能量密度的主要研究方向，包括提升介電常數的關鍵在于增加偶極子數目和減弱偶極子取向阻礙，增強擊穿場強需要側重電介質的機械增強和電荷捕獲，保障性能熱穩定性需要兼顧高結構熱穩定性和快速熱導。基于上述研究方向，課題組介紹了不同尺度的納米技術，如宏觀層面的納米級表面包覆、填料層面的納米填料摻雜、鍊段層面的聚合物交聯、單體層面的聚合物結構設計等。此外，課題組還對高溫儲能聚合物電介質的未來發展方向進行了展望。

圖2.高溫儲能聚合物電介質的主要研究方向

該綜述以“用于電容儲能的聚合物基納米複合電介質”（Polymer nanocomposite dielectrics for capacitive energy storage）為題，發表于期刊《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）上。論文的第一作者為beat3652020級直博生楊敏铮，通訊作者為沈洋，共同通訊作者為中國科學院院士、beat365教授南策文和澳大利亞卧龍崗大學教授張樹君。

基于上述研究思路，課題組合成了磷鎢酸亞納米片作為填料，開發了一種聚合物基亞納米複合電介質，全面提升了聚合物電介質的高溫儲能性能。其中，磷鎢酸亞納米片的厚度不足1納米，橫向尺寸達到3微米，可在複合材料中引入大量的界面區域。這使其既可通過調控周圍聚合物鍊段分布增強偶極子極化，提高介電常數，也可通過界面區域的能級失配引入高密度電荷陷阱，還可在其面外方向阻礙擊穿路徑擴展，在其面内方向傳導載荷，實現機械增強。其次，磷鎢酸亞納米片獨特的周期排布團簇結構賦予其極強的電荷捕獲和容納能力，可通過内部W離子變價而捕獲大量空間電荷，顯著降低高溫漏電流。此外，這種亞納米片具有柔性，且表面接有有機表面活性劑，和聚合物基體展現出極高的結構相容性，這使得亞納米複合材料的界面缺陷較少，高溫絕緣性能獲得進一步提升。因此，極小含量的亞納米片（0.2 wt%）便可使複合電介質的介電常數、擊穿場強和熱穩定性獲得顯著提升，在150℃和200℃下的能量密度分别達到8.1 J cm^-3和7.2 J cm^-3（充放電效率為90%），并實現200℃環境中50萬次的充放電循環。更為重要的是，課題組依托烏鎮實驗室，采用工業化流延設備首次實現了百米級長度的亞納米複合電介質薄膜的卷對卷生産，所獲得的薄膜具有穩定的儲能性能，展現出廣闊的工業化應用前景。

圖3.聚合物基亞納米複合電介質的結構與性能

該工作以“200度下兼具高能量密度和高循環穩定性的卷對卷生産聚合物-亞納米片複合材料”（Roll-to-roll fabricated polymer composites filled with subnanosheets exhibiting high energy density and cyclic stability at 200 ℃）”為題發表于《自然·能源》（Nature Energy）期刊上。

論文的第一作者為楊敏铮和化學系2021級直博生李昊陽，通訊作者為沈洋，清華大學化學系教授王訓為論文共同通訊作者，論文的合作者還包括南策文，beat365教授谷林、航空航天學院教授李曉雁，天津理工大學研究員匙文雄，武漢理工大學特聘研究員沈忠慧，中科院物理所副研究員張慶華，烏鎮實驗室副研究員江建勇等。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01541-w

https://www.nature.com/articles/s41560-023-01416-3