南方科技大学汪宏团队在高温储能电介质材料研究方面取得突破

　　近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授汪宏团队在高温储能电介质材料研究方面取得突破。相关成果以“Metalla-Aromatic Complexes Enhancing the High Temperature Energy Storage Performance of Polycarbonate Polymer”为题，发表于学术期刊 Advanced Energy Materials。
 

　　随着电动汽车、可再生能源并网及航空航天技术的飞速发展，对能在高温(≥150°C)极端环境下稳定工作的高性能薄膜电容器需求日益迫切。传统聚合物电介质(如BOPP)在高温下面临传导损耗激增、储能性能骤降的瓶颈，而现有高性能有机半导体填料又存在合成复杂、成本高昂的问题。
 

　　针对该问题，汪宏教授团队联合南方科技大学格拉布斯研究院夏海平院士团队突破传统思路，通过将一种新型锇(Os)基金属芳香配合物(MAC-1)引入聚碳酸酯(PC)基体，成功设计出 PC/MACs 复合材料。该材料利用 MAC-1 独特的 dπ-pπ 共轭体系，从分子层面实现了性能的协同提升。
 

图1 作为电荷陷阱的锇基芳香族配合物
 

　　该研究实现了如下创新突破：1. 缺电子核心，打造深度电荷陷阱：MAC-1 分子中的 Os 金属中心与配体形成强缺电子核心，使材料的陷阱深度从纯 PC 的0.89 eV增至复合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，有效捕获并束缚在高电场、高温下迁移的电荷载流子；2. 轴向空间位阻，抑制空间电荷迁移：MAC-1分子轴向连接的三苯基膦(-PPh3)配体产生空间位阻效应，防止MAC-1分子间的π-π堆积和电荷跳跃，还扰乱了 PC 聚合物链的紧密堆积，扩大了分子间距，进一步抑制空间电荷迁移。
 

图2 锇基芳香族配合物保持聚合物耐温性的同时降低高温漏导
 

　　通过上述分子级设计，PC/MACs 复合材料在极端条件下实现了关键性能的协同突破：1. 降低漏导损耗：MAC-1的引入使陷阱深度从纯PC的0.89 eV增至复合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，150℃下的漏电流密度从纯PC的8.8×10-9 A cm-2降至PM-1-0.15%的9.3×10-10 A cm-2，减少幅度达89%；2. 强化击穿与耐热性：复合材料在150°C下的击穿场强从562 MV m-1提升至717 MV m-1。同时，材料玻璃化转变温度(Tg)仍保持在180°C以上，具备良好的热稳定性；卓越的高温储能性能：在150°C和717 MV m-1的高电场下，复合材料的放电能量密度达到7.4 J cm-3，放电效率达93%。比纯PC(能量密度4.5 J cm-3，效率80%)显著提升；优异的循环寿命：在150°C下进行充放电循环测试，该复合材料在3.3 J cm-3和4.0 J cm-3能量密度下的寿命分别达到15,849次和11,660次，是纯 PC 寿命(6,310次)的两倍以上。
 

图3 复合电介质材料的电容储能性能
 

　　该材料体系为开发适用于电动汽车电机控制器、新能源并网，航天器电力系统等极端环境下的下一代高性能薄膜电容器奠定了材料基础，有望推动相关领域向小型化、高功率、高可靠的方向发展。
 

　　南方科技大学材料科学与工程系研究助理教授牛玉娟为论文第一作者，化学系研究助理教授陈仕焰为论文共同第一作者，汪宏为论文通讯作者，夏海平院士为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究获得了国家自然科学基金及广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。