具有高击穿强度、高能量密度和低能量损耗的聚合物电介质可用于高压薄膜电容器用储能材料，在智能电网、新能源汽车和脉冲功率武器等领域有着广泛应用前景。能够高温工作的电容器对于下一代新能源汽车和航空航天电源系统至关重要。然而，高温环境引起电导损耗的急剧增加，显著恶化了聚合物电介质材料的击穿场强和高温储能性能。如何通过界面设计平衡复合材料高能量密度和低能量损失的关系，是获得优异的储能性能的关键因素。
近日，西安交大张志成教授团队通过对纳米BN表面接枝改性得到一种具有高电子亲合能的纳米填料，并将其引入在功能化PAEK基聚合物中制备交联网络结构的复合材料。研究发现，当加入含量0.3vol%的纳米填料m-ABA-BN时，复合材料的介电储能性能最佳，在150℃的高温、600MV/m电场下，薄膜的能量密度为10.1 J/cm3，可释放能量效率η>90%。且该介电薄膜在150℃，250MV/m电场下经过105充放电循环后表现出良好的抗疲劳特性（η=95%）。
通过热刺激去极化电流（TSDC）、跳变电导、肖特基发射等模型构建深入探索了复合材料的击穿提升机理，并以Comsol仿真结果加以佐证。结果表明，m-ABA-BN的引入可以缓解在基体-填料之间的电场畸变，并产生有效的电荷陷阱，增强捕获电子的能力。同时，显著提高了电荷注入势垒和界面陷阱能级，交联结构协同降低了薄膜在高温下的电导损耗。这项工作解决了复合材料面临界面问题导致的低击穿高损耗的难题，为开发极端条件下高能量密度和高效率的电介质材料提供了一条简单有效的新策略。
西安交通大学张志成教授和山东京博化工研究院董博高级工程师为论文的通讯作者，西安交通大学博士研究生李馨怡为论文第一作者。感谢国家自然科学基金（No. 92066204，51773164，51773166）对本文的资助。相关成果以" Superior High-Temperature Capacitive Performance of Polyaryl Ether Ketone Copolymer Composites Enabled by Interfacial Engineered Charge Traps"为题发表在期刊《Materials Horizons》上。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D3MH01257C
作者介绍
张志成，西安交通大学化学学院教授，博士生导师。主要研究领域包括新型氟聚合物的设计与可控合成，新型电介质的分子设计与偶极调控，电活性高分子及其在高储能电容器、压电传感器等领域的应用等。
课题组简介
张志成教授团队的研究领域主要有有机氟化学与氟聚合物化学改性、先进储能高分子的设计与可控合成、储能聚合物复合电介质研究、智能材料合成与传感器应用、生物医学功能材料、无机多孔材料水污染治理应用研究等六个方向。团队现有科研人员9人，其中教授4人，副教授3人，助理教授2人，在读研究生40余人。
团队负责人张志成教授十几年来致力于电功能氟聚合物设计合成及先进聚合物电介质研究，包括新型氟聚合物的设计、改性方法、氟聚合物材料的结构性能关系研究、电活性氟聚合物及其在高储能电容器、传感器等领域的应用等。近年来围绕氟聚合物的合成改性，开发了多种基于C-Cl、C-F 键活化的可控改性方法，为新型氟聚合物的设计合成开辟了新途径；在氟聚合物铁电压电特性及电性能调控方面进行了系统研究，并取得了丰硕的成果；在铁电聚合物薄膜传感器及能量收集应用方面开展了相关工作，积累了一定的研究基础。主持国家自然科学基金项目4项（重点1项，面上2项，青年1项），省部级科研项目8项，横向项目20余项。以第一（通讯）作者共发表 高水平论文150余篇，发表 SCI论文被引用3400余次，个人H因子为33。2010年入选教育部新世纪优秀人才计划，2019年获得陕西省职工十大创新创业人物称号，获2021年陕西省技术发明奖二等奖（排名第3）。现任《高分子通报》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大学化学》等期刊编委。
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