近日，南方科技大学汪宏讲席教授团队在 Advanced Materials 期刊发表题为“Scalable polymer composites enhanced by trace-amount polymer semiconductor for high-performance capacitive energy storage at 250 °C”的研究成果。

高温聚合物电介质储能材料对于先进电力电子设备至关重要，但其实际应用受到热激活电荷传输的严重限制，这导致传导损耗呈指数级增加和过早击穿。在新兴应用领域，如电动汽车、航空航天系统和油气勘探等，迫切需要能在高温环境下稳定工作的高性能储能材料，而传统介电材料难以满足这些极端条件下的性能要求。

研究团队发现仅引入微量的聚合物半导体，便能显著调控复合材料的能带结构与电荷输运特性。这种微量掺杂通过半导体与聚合物基体之间的界面相互作用，不仅能够有效抑制高温下的电荷迁移率（将在250°C时的体积电导率降低了约3个数量级），还进一步优化了复合材料击穿场强，突破了传统聚合物材料在高温下能量存储的瓶颈。这一策略为开发兼具高能量密度和优异热稳定性的介电储能材料提供了新途径，有望推动高温电力电子系统的小型化与高效化发展。

图1 (a) 半氧化态PANI的傅里叶变换红外光谱；(b) 半氧化态PANI的N1s XPS能谱。这些峰分别对应于仲胺氮(-NH)和亚胺型氮(-N=)；(c) FPE及不同PANI浓度FPE-PANI复合材料的DSC曲线；(d) FPE及不同PANI浓度FPE-PANI复合材料的XRD曲线；(e) PANI分子链优化前后的回转半径；(f) FPE和FPE-PANI复合材料在200MV m-1下的电导率Arrhenius函数图；(g) FPE和不同PANI含量FPE-PANI在250°C下的Weibull分布图；(h) FPE和FPE-PANI复合材料的介电常数和介电损耗随频率变化的关系图；(i) FPE-PANI的TEM结果及元素分布扫描图

图2 正电势优化策略。(a-c) 有机半导体(ICBA、PCBM和PANI)的分子结构和静电势分布；(d,e) ICBA、PCBM和PANI的比表面积和体积，以及(f) 半导体与FPE之间的相互作用力

图3 正电势优化策略的优化机制与机理分析。(a) FPE及不同半导体复合聚合物在玻璃化转变过程中的ΔCₚ。；(b) 通过PALS获得的FPE及聚合物复合材料的孔径分布；(c) FPE及FPE复合材料的第三平均寿命、平均半径和自由体积结果；(d) 有机半导体影响下FPE分子的静电势分布；(e) FPE及聚合物复合材料的TSDC结果；(f) 通过TSDC测量得到的FPE及FPE复合材料的陷阱密度比较；(g) 原始FPE及聚合物复合材料在200MVm-1下的电导率Arrhenius函数图；(h) FPE及聚合物复合材料在150°C下的电流密度随电场变化的关系图；(i) FPE及FPE复合材料的杨氏模量

图4 聚合物复合材料的高温储能性能。(a) 通过P-E回线计算得到的FPE及聚合物复合材料在150°C下的放电能量密度和(b)效率随电场的变化关系；(d) FPE及聚合物复合材料在250°C下的放电能量密度和效率；(c) FPE-PANI与先进的介电聚合物及聚合物复合材料在150°C和(f)250°C下的能量密度比较

图5 稳定性与规模化制备。(a) 在不同聚合物中引入PANI的正电势优化策略的增强效果；(b) FPE-PANI在不同温度下的快速放电曲线和放电功率密度；(c) FPE-PANI在300MVm-1电场下的放电能量密度和效率随循环次数的变化；(d) PANI与应用于聚合物复合材料中的先进填料的成本比较；(e) FPE-PANI薄膜在150°C下的放电能量密度随PANI溶液静置时间的变化；(f) 大规模加工制备的FPE-PANI薄膜在不同区域的放电能量密度

  南方科技大学研究助理教授潘子钊为论文第一作者，汪宏为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202521682

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

主图：丘妍