研究背景
高溫電容能量存儲材料是現代電子設備和電氣系統中的關鍵組件，特別是在電動驅動車輛、飛機電氣化和深海油氣開采等領域。然而，傳統的介電聚合物材料在高溫環境下通常面臨導電損失嚴重和性能衰退的問題，因此在高功率和惡劣環境下的應用受到限制?，F有的介電聚合物，如雙向取向聚丙烯，其溫度能力通常局限于105°C以下，這限制了其在高溫條件下的使用性能。因此，如何設計和制備能夠在高溫下保持穩定性能的介電材料成為了一個亟待解決的挑戰。為了解決這一問題，清華大學李琦課題組在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage”的最新論文。該團隊設計了一種新型的介電聚合物，通過引入機械鍵合結構，成功抑制了聲子輔助的鏈間電荷傳輸。研究人員利用密度泛函理論和分子動力學計算發現，通過機械鍵合的聚合物鏈可以有效減少溫度升高時局部鏈振動對電荷傳輸的影響，從而顯著降低導電損失。 這一新穎的設計使得該材料在250°C時表現出比傳統聚酰亞胺高出四個數量級的電阻率，同時放電能量密度達到4.1?J?cm?3，并保持90%的充放電效率，超越了傳統的介電聚合物和聚合物復合材料。該研究為高溫下電容能量存儲材料的設計提供了新的思路，利用機械鍵合的分子拓撲結構顯著提升了材料的耐高溫能力，并推動了電容器在高溫環境下的應用潛力。
研究亮點
（1）實驗首次設計了一種具有機械鍵合的介電聚合物，成功抑制了聲子輔助的鏈間電荷轉移，顯著提高了聚合物在高溫下的電容能量存儲能力。通過在聚酰亞胺鏈軸上引入環狀聚醚分子，形成了具有機械鍵合的結構，抑制了鏈間的導電損失。（2）實驗通過密度泛函理論和分子動力學計算，揭示了環狀分子通過機械鍵合抑制局部鏈振動，從而減少了聲子輔助的電荷轉移。這一設計有效阻止了高溫下導電損失的增加，保持了高效率的電容能量存儲。 （3）實驗進一步驗證，在250°C下，具有機械鍵合的聚合物展示出了比傳統聚酰亞胺高四個數量級的直流電阻率，且放電能量密度達到4.1?J?cm?3，充放電效率為90%，遠超現有商業化的介電聚合物。
圖文解讀
圖1.通過限制聲子振動抑制鏈間電荷轉移的擬議機制。
結論展望
本文的研究為高溫電容能量存儲材料的設計提供了新的思路。通過引入機械鍵合的分子拓撲結構，成功抑制了高溫下主導電導損失的聲子輔助鏈間電荷傳輸，顯著提高了聚合物在250°C下的電容性能。這一發現不僅突破了傳統介電聚合物在高溫下的性能瓶頸，也為拓寬高溫電容器應用領域提供了理論基礎。此外，研究還驗證了分子拓撲工程方法在耐熱介電聚合物中的普適性，證明不同環狀分子包圍的聚合物在電容性能方面同樣能得到顯著提升。值得注意的是，盡管聲子橫波模式被抑制，但聚合物的熱導率幾乎沒有受到影響，保證了設備的散熱能力。因此，這一策略為未來高效、高溫電容存儲材料的開發開辟了新的方向，并為其他與鏈動態相關的材料行為，如偶極子開關和電機械能量互轉，提供了潛在的應用前景。 Wang, R., Zhu, Y., Huang, S. et al. Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02130-z
