2023年3月2日，國際頂級學術期刊《Nature》刊發上海交通大學黃興溢教授團隊與合作者的研究成果“Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage”。黃興溢教授和王慶教授為通訊作者，陳杰助理研究員、周垚博士和黃興溢教授為共同第一作者，上海交通大學為論文的第一完成單位。黃興溢教授和陳杰博士申請的相關發明專利已獲得授權。
聚合物是一類重要的電工絕緣材料，然而聚合物材料的導熱性普遍性較差，提升聚合物的導熱性往往以犧牲絕緣性能為代價，“絕緣和導熱的互為矛盾”是制約聚合物材料在先端電氣電子裝備發展的瓶頸問題之一。通過等規鏈段層狀排列構建陣列化納米區域，并在陣列化納米區域中引入親電陷阱基團，在大幅提升柔性聚合物電介質薄膜導熱性能的基礎上使電阻率提升了一個數量級，解決了導熱和絕緣的矛盾。聚合物電介質薄膜厚度方向的本征導熱系數為1.96 ± 0.06 W/(mK)，是目前報道的絕緣聚合物本征導熱系數的最高值。聚合物電介質薄膜在200 oC、90%效率下的放電能量密度為5.34 J/cm3，在50000次充-放電循環后儲能性依然穩定，且具有良好擊穿自愈性，在電磁能裝備、新能源汽車、電力電子等領域極具應用前景。
聚合物電介質薄膜電容器具有極高的能量轉換速率，在電磁能裝備、電力電子以及新能源裝備等領域的作用至關重要。隨著裝備、器件往緊湊化、輕量化、工作環境極端化方向發展，對聚合物電介質薄膜的儲能密度以及耐高溫性能的要求越來越高。電荷存儲密度和電場強度的平方成正比，因此，電介質薄膜承受的電場增加，電荷存儲密度則會快速增加。然而，聚合物薄膜在高電場下以電子電導為主，不再符合歐姆定律，電導電流隨電場強度增加呈指數增大，會產生大量的焦耳熱。傳統聚合物電介質的導熱系數普遍較低（< 0.2 W/(mK)），散熱效率很低，會造成介質溫度快速升高，進而引起電導指數增加、耐電強度急速降低等連鎖反應，從而造成器件、裝備失效等嚴重問題，在高溫下工作的器件裝備散熱問題尤其提出。盡管可以通過引入納米添加等方式增加聚合物電介質的導熱系數，但這往往以犧牲耐電強度為代價，更重要的納米添加給薄膜制造工藝帶來極大挑戰。因此，開發耐高溫、本征高導熱的聚合物電介質薄膜是最好選擇。
黃興溢團隊設計了一種含氟缺陷的雙鏈結構共聚物PSBNP-co-PTNI，該共聚物通過π-π堆疊作用自組裝成高度有序陣列。通過偏振拉曼光譜測試發現，共聚物薄膜的偏振信號在平面上呈各向同性，在斷裂面上呈各向異性，表明有序陣列平行于表面，因此，電介質薄膜在垂直平面方向表現出1.96 ± 0.06 W/(mK)的高導熱系數。
▲ 雙鏈結構聚合物電介質薄膜的分子結構和自組裝形貌
密度泛函理論分析和熱刺激電流實驗表明，PSBNP和PTNI嵌段間存在深度為1.51 eV的電荷陷阱，且隨著外電場強度增加，電荷陷阱深度進一步增大。在PSBNP有序陣列中引入2 mol%的PTNI分子，共聚物PSBNP-co-PTNI0.02表現出最優的電氣絕緣性和最高的電擊穿強度。
▲ 雙鏈結構聚合物電介質的導電性和電擊穿強度
電極化儲能測試表明，PSBNP-co-PTNI0.02在150 oC和200 oC下最大放電能量密度分別為10.42 J/cm3和8.37 J/cm3，90%效率下的放電能量密度分別為6.18 J/cm3和5.34 J/cm3，遠優于現有的聚合物及其復合電介質薄膜。
▲ 雙鏈結構聚合物電介質的靜電儲能性
采用紅外相機直觀地研究了200 oC、300 MV/m下PSBNP-co-PTNI0.02和聚醚酰亞胺（PEI，已知最好的商品耐高溫聚合物電介質薄膜）的連續充-放電循環過程中的發熱現象，在高導熱的PSBNP-co-PTNI0.02薄膜中未觀察到局部熱積聚現象，而低導熱的PEI膜則出現了明顯的局部熱積聚。研究團隊模擬電介質薄膜電容器芯子的熱場分布，發現PSBNP-co-PTNI0.02薄膜電容芯子的中心溫度遠低于PEI薄膜電容芯子，充-放電循環更加穩定，實驗也證明PSBNP-co-PTNI0.02薄膜連續充-放電循環壽命是PEI薄膜的6倍。
值得一提的是，PSBNP-co-PTNI0.02的碳含量相對較低，這賦予了其優異的自愈性，電鏡圖像清晰顯示了電擊穿區域四周的鋁金屬電極被蒸發除去，碳化通道孤立于金屬電極，使擊穿后的金屬化聚合物薄膜整體仍保持高絕緣性。自愈后的儲能性沒有出現明顯劣化，仍能進行10000次的連續充-放電循環。
▲ 雙鏈結構聚合物電介質的循環穩定性和自愈性
這一研究是電氣工程、化學、材料、工程熱物理等多學科的深度交叉融合。上海交通大學江平開教授、朱新遠教授、于春陽副研究員、錢小石教授、鮑華教授、西安交大李盛濤教授和西南交大吳廣寧教授等也參與了本項研究。研究獲得了國家自然科學基金（51877132, 52003153, U19A20105, 51522703, 52103303）、上海市優秀學術帶頭人計劃（21XD1401600）、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室開放基金（EIPE20203, EIPE21206）等的資助。