近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授汪宏團(tuán)隊(duì)在高溫儲(chǔ)能電介質(zhì)材料研究方面取得突破。相關(guān)成果以“Metalla-Aromatic Complexes Enhancing the High Temperature Energy Storage Performance of Polycarbonate Polymer”為題，發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊 Advanced Energy Materials。
 

　　隨著電動(dòng)汽車、可再生能源并網(wǎng)及航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)能在高溫(≥150°C)極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的高性能薄膜電容器需求日益迫切。傳統(tǒng)聚合物電介質(zhì)(如BOPP)在高溫下面臨傳導(dǎo)損耗激增、儲(chǔ)能性能驟降的瓶頸，而現(xiàn)有高性能有機(jī)半導(dǎo)體填料又存在合成復(fù)雜、成本高昂的問(wèn)題。
 

　　針對(duì)該問(wèn)題，汪宏教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)格拉布斯研究院夏海平院士團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)思路，通過(guò)將一種新型鋨(Os)基金屬芳香配合物(MAC-1)引入聚碳酸酯(PC)基體，成功設(shè)計(jì)出 PC/MACs 復(fù)合材料。該材料利用 MAC-1 獨(dú)特的 dπ-pπ 共軛體系，從分子層面實(shí)現(xiàn)了性能的協(xié)同提升。
 

圖1 作為電荷陷阱的鋨基芳香族配合物
 

　　該研究實(shí)現(xiàn)了如下創(chuàng)新突破：1. 缺電子核心，打造深度電荷陷阱：MAC-1 分子中的 Os 金屬中心與配體形成強(qiáng)缺電子核心，使材料的陷阱深度從純 PC 的0.89 eV增至復(fù)合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，有效捕獲并束縛在高電場(chǎng)、高溫下遷移的電荷載流子；2. 軸向空間位阻，抑制空間電荷遷移：MAC-1分子軸向連接的三苯基膦(-PPh3)配體產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，防止MAC-1分子間的π-π堆積和電荷跳躍，還擾亂了 PC 聚合物鏈的緊密堆積，擴(kuò)大了分子間距，進(jìn)一步抑制空間電荷遷移。
 

圖2 鋨基芳香族配合物保持聚合物耐溫性的同時(shí)降低高溫漏導(dǎo)
 

　　通過(guò)上述分子級(jí)設(shè)計(jì)，PC/MACs 復(fù)合材料在極端條件下實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性能的協(xié)同突破：1. 降低漏導(dǎo)損耗：MAC-1的引入使陷阱深度從純PC的0.89 eV增至復(fù)合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，150℃下的漏電流密度從純PC的8.8×10-9 A cm-2降至PM-1-0.15%的9.3×10-10 A cm-2，減少幅度達(dá)89%；2. 強(qiáng)化擊穿與耐熱性：復(fù)合材料在150°C下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)從562 MV m-1提升至717 MV m-1。同時(shí)，材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)仍保持在180°C以上，具備良好的熱穩(wěn)定性；卓越的高溫儲(chǔ)能性能：在150°C和717 MV m-1的高電場(chǎng)下，復(fù)合材料的放電能量密度達(dá)到7.4 J cm-3，放電效率達(dá)93%。比純PC(能量密度4.5 J cm-3，效率80%)顯著提升；優(yōu)異的循環(huán)壽命：在150°C下進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試，該復(fù)合材料在3.3 J cm-3和4.0 J cm-3能量密度下的壽命分別達(dá)到15,849次和11,660次，是純 PC 壽命(6,310次)的兩倍以上。
 

圖3 復(fù)合電介質(zhì)材料的電容儲(chǔ)能性能
 

　　該材料體系為開(kāi)發(fā)適用于電動(dòng)汽車電機(jī)控制器、新能源并網(wǎng)，航天器電力系統(tǒng)等極端環(huán)境下的下一代高性能薄膜電容器奠定了材料基礎(chǔ)，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域向小型化、高功率、高可靠的方向發(fā)展。
 

　　南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系研究助理教授牛玉娟為論文第一作者，化學(xué)系研究助理教授陳仕焰為論文共同第一作者，汪宏為論文通訊作者，夏海平院士為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的資助。