【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學材料科學與工程系汪宏教授團隊在高溫介電儲能材料方面取得研究進展，相關成果以“Enabling superior high-temperature capacitive performance in polymer dielectrics by multifunctional alternating nanolaminate coating”為題，發表于國際期刊Energy&Environmental Science。
隨著可再生能源、新能源汽車與航空航天等領域的飛速發展，對能在高溫(如150°C以上)、高電場下穩定運行的高性能儲能元件的需求日益迫切。然而，在高溫、高電場作用下，電極/介質界面處的電荷注入會引發顯著的電導損耗，導致儲能效率和循環壽命急劇衰減。當前，通過在聚合物兩側引入無機阻擋層是抑制電荷注入的主流策略，但傳統無機材料面臨的根本性矛盾在于，其“寬禁帶”(阻擋電荷注入)與“高介電常數”(均勻電場)的關鍵屬性均難以在同一材料中實現協同優化。即使是綜合性能較優的氧化鋁，其電荷阻擋能力也已接近該材料體系的理論極限。
針對這一瓶頸，研究團隊提出了一種突破性的解決方案：摒棄單純依賴超寬帶隙材料的傳統思路，轉而將禁帶相對較窄但介電常數更高的3nm超薄氧化鋯納米層，作為功能夾層嵌入氧化鋁層內部。研究人員利用原子層沉積技術，在聚合物薄膜雙面制備出總厚度僅約36nm的氧化鋁/氧化鋯交替納米疊層。基于這一獨創的界面結構，經涂覆的聚碳酸酯薄膜在150°C高溫下實現了8.50J cm-3的放電能量密度，同時充放電效率高達96.4%，其綜合性能顯著優于任何單涂層體系，創造了聚合物基電介質的新紀錄。此外，該界面工程設計還將薄膜在高溫下的充放電循環壽命提升了近兩個數量級。
截面開爾文探針力顯微鏡、普克爾斯效應成像、能帶分析與相場模擬結果表明，在“嵌入式”納米疊層工程設計中，外層的氧化鋁(約10nm)憑借其寬帶隙，構筑了抑制電荷注入的高能勢壘；內嵌的氧化鋯層(約3nm)則利用其較高的介電常數，在橫向再分布電場、緩解局部集中的同時，引入了深能級電荷束縛中心以捕獲載流子。
在材料制備方面，界面納米工程策略在多種聚合物基底(如聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚芴酯)上均可實現顯著且穩定的性能提升。所制備的涂層薄膜在獲得卓越電學性能的同時，保持了優異的機械柔韌性，顯示出與規模化卷對卷制造工藝的良好兼容潛力，兼具廣泛的普適性與產業化應用潛力。
本研究提出的界面納米工程策略，為開發適用于下一代電動汽車電驅系統、可再生能源逆變器及先進航空電力系統的耐高溫、高能量密度、高穩定性的薄膜電容器，提供了清晰可行、極具潛力的材料創新路徑。
南方科技大學與香港科技大學聯合培養博士生劉禹岐為論文第一作者，南方科技大學材料科學與工程系研究助理教授董久鋒和科研助理劉凱鑫為共同第一作者。汪宏、董久鋒及香港科技大學王建農教授為論文共同通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。該研究獲得了國家自然科學基金及香港特別行政區研究資助局等項目資助。
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