清華新聞網(wǎng)4月27日電 近日，清華大學(xué)電機(jī)系李琦副教授課題組在耐高溫電容儲(chǔ)能薄膜研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。課題組提出分子結(jié)構(gòu)單元模塊化定制組裝的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析揭示了影響高溫介電儲(chǔ)能特性的關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)因素，最終制備得到在250℃極端溫度條件下具有目前最高儲(chǔ)能密度的聚合物電介質(zhì)薄膜。
可再生能源并網(wǎng)、新能源汽車(chē)、地下資源開(kāi)采和先進(jìn)電磁能裝備等領(lǐng)域的迅速發(fā)展要求先進(jìn)電子材料和器件能夠在的嚴(yán)苛溫度條件下穩(wěn)定運(yùn)行（150 °C至250 °C）。然而，作為電子器件和能源系統(tǒng)中不可或缺的基本元件之一——薄膜電容器，目前僅能在105 ℃以下使用，主要受限于常規(guī)聚合物電介質(zhì)材料在高溫、高電場(chǎng)條件下電導(dǎo)損耗大、發(fā)熱嚴(yán)重、容易發(fā)生熱失控這一瓶頸問(wèn)題。
課題組利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)由21種單體組成的110種聚酰亞胺類(lèi)大分子結(jié)構(gòu)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和能帶隙寬度（Eg）進(jìn)行了高通量預(yù)測(cè)。通過(guò)將分子結(jié)構(gòu)拆分成不同的結(jié)構(gòu)單元，以模塊化組裝的策略合成并系統(tǒng)研究了其中12種聚酰亞胺類(lèi)大分子，得到了每種結(jié)構(gòu)單元對(duì)材料Tg和Eg的量化影響，從而實(shí)現(xiàn)可定制化獲得具有目標(biāo)性能的聚合物分子結(jié)構(gòu)（圖1）。
圖1.結(jié)構(gòu)單元的模塊化組裝以及對(duì)材料性能的量化影響
傳統(tǒng)認(rèn)為，電介質(zhì)的Eg是決定高溫絕緣性能的關(guān)鍵因素。因此，長(zhǎng)期以來(lái)在探尋耐高溫聚合物材料的研究中始終以Eg這一指標(biāo)為導(dǎo)向。課題組發(fā)現(xiàn)，在這一系列聚酰亞胺類(lèi)大分子中，當(dāng)Eg達(dá)到某一臨界值時(shí)，導(dǎo)電機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)變，繼續(xù)增大Eg并不能持續(xù)提升材料的高溫介電儲(chǔ)能性能。這一研究結(jié)果表明，僅依靠提升Eg的設(shè)計(jì)思路無(wú)法突破這類(lèi)材料的使用溫度上限。
課題組進(jìn)一步通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試揭示，在該情況下，材料的高溫介電儲(chǔ)能性能跟聚合物中相鄰共軛平面之間的二面角大小密切相關(guān)（圖2）。依據(jù)這一新的認(rèn)知，課題組通過(guò)結(jié)構(gòu)單元定制化組裝最終分別設(shè)計(jì)制備了在150 ℃、200 ℃和250 ℃下具有優(yōu)異高溫儲(chǔ)能性能的電介質(zhì)聚合物（圖3）。例如，在250 ℃極端溫度下，充放電效率在90%以上的能量密度達(dá)到2.1J/cm3，為目前報(bào)道最高水平。
圖2.共軛平面間的二面角及材料的電導(dǎo)機(jī)制
圖3.不同分子結(jié)構(gòu)材料的高溫儲(chǔ)能性能
本研究得到的高性能耐高溫電介質(zhì)聚合物全部由成熟的溶液法二步反應(yīng)合成，單體來(lái)源于商業(yè)化產(chǎn)品，這使得這類(lèi)耐高溫介電薄膜的規(guī)?；苽涑蔀榭赡?。與此同時(shí)，這項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)思路還可擴(kuò)展到其他介電聚合物體系，對(duì)耐高溫介電儲(chǔ)能薄膜的開(kāi)發(fā)具有廣泛的啟示意義。
近日，相關(guān)研究成果以“高溫電容儲(chǔ)能聚合物電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元定制組合設(shè)計(jì)”（Designing Tailored Combinations of Structural Units in Polymer Dielectrics for High-Temperature Capacitive Energy Storage）為題發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。
電機(jī)系博士后王瑞和2020級(jí)博士生朱雨杰為該論文的共同第一作者，李琦副教授為論文通訊作者。其他合作者還包括清華大學(xué)電機(jī)系何金良教授和胡軍教授等。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38145-w#Sec2
供稿：電機(jī)系
編輯：李華山
審核：郭玲
