西安交大婁曉杰教授課題組在聚合物儲能材料研究領域取得重要突破

2025-10-16 11:27:58儀表網閱讀量：17480

　　聚合物薄膜電容器因其超高功率密度和快速充放電能力，在新能源汽車、脈沖功率系統等領域應用廣泛。然而，常用于制備該類電容器的商用雙向拉伸聚丙烯(BOPP)等材料，存在介電常數低(ε?~2.2)、擊穿強度弱(BDS~600 MV/m)的瓶頸。芳香族聚合物(如聚酰亞胺，聚碳酸酯等)雖具備高絕緣性，但其強π-π堆疊效應會導致高場下電導損耗劇增，嚴重制約其儲能密度提升。因此，開發兼具高儲能密度、高充放電效率和優異穩定性的聚合物電介質材料，是當前聚合物電容儲能領域面臨的重大挑戰。

　　針對這一難題，婁曉杰教授團隊提出空間位阻調控新策略，即通過金剛烷功能化降冰片烯(NBAd)與芳香側鏈降冰片烯(PNB2APS)共聚，結合分子動力學模擬，設計了P(NB2APS-co-NBAd0.05)材料。該研究首次在該領域應用位阻抑制機制以提升擊穿強度：金剛烷基團使芳香側鏈間距從6.8Å擴大至7.4Å，減弱了π-π堆疊效應，提高了自由體積分數，從而使擊穿強度(BDS)提升至865MV/m(較基體材料提高了42%)。該材料還展現出優異的儲能性能：在1000MV/m的超高電場下，實現23.5 J/cm³的放電能量密度(Ud)，達到BOPP的412%；在800MV/m電場下，Ud保持在15J/cm³，同時儲能效率(η)超90%。此外，該材料表現出卓越的穩定性：在10萬次充放電循環后，Ud與η均未出現衰減，并具備擊穿自修復能力—通過將(C+N+S)/(O+H)控制在低至1.07的分子設計，使材料擊穿后碳化區域可與電極自動隔離。此項研究不僅為高性能電容儲能聚合物材料的結構設計提供了全新思路，也為該領域未來的發展注入了強勁動力。

　　圖. a) 設計策略示意圖。b) P(NB2APS-co-NBAd0.05) 與其他近期新合成的聚合物材料的最大 Ud 和 BDS 比較。c) 在200 MV/m 循環數下的 BOPP 和 P(NB2APS-co-NBAd0.05) 的放電能量密度和放電效率。

　　以上研究成果以《通過削弱新型聚降冰片烯中的π-π堆疊效應實現超高電容儲能》(Ultra-high Capacitance Energy Storage Enabled by Weakening the π-π Stacking Effect in Novel Polynorbornene)為題，發表于國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學前沿科學技術研究院為論文第一完成單位，博士生張斌為第一作者，婁曉杰教授為通訊作者。

　　該研究工作獲得了國家自然科學基金、鄂爾多斯科技合作重大專項以及西安交通大學分析測試中心的支持。

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