简介

近日，乌镇实验室新型功能复合材料研究中心与清华大学沈洋教授团队于WILEY出版社旗下的纳米材料领域旗舰期刊《Small》在线发表了题为“Excellent Stability in Polyetherimide/SiO2  Nanocomposites with Ultrahigh Energy Density and Discharge Efficiency at High Temperature”（具有优异高温稳定性的高储能密度和效率的聚醚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料）科研论文。研究发现，通过添加具有一定聚集状态的SiO2纳米颗粒能够显著降低PEI薄膜的高温泄漏电流密度并提高其高温储能密度。在150℃下，PEI/SiO2复合薄膜的放电能量密度为6.30J/cm3，同时储能效率仍保持在90%以上。本工作为高温电介质材料的纳米增强机制提供了有力的证据，并为耐高温复合电介质薄膜的产业化发展积累了良好的材料体系。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202202421

研究背景

聚合物薄膜电容器以其较高的功率密度被广泛地应用于电子工业和电力系统。近年来，随着电磁弹射系统、高功率武器系统以及新能源汽车等领域的快速发展，对聚合物薄膜电容器的高温稳定性能提出了更高的要求。在高温高电场下，聚合物薄膜电容器的漏电流密度急剧上升，产生较大的电导损耗，导致其高温绝缘性能大幅衰减和储能密度急剧下降。研究表明，在聚合物内部掺杂高绝缘性能的纳米颗粒填料，可以有效地降低聚合物薄膜的漏电流密度，大幅提高其高温储能性能。

该研究以聚醚酰亚胺（PEI）为基体，高绝缘性能二氧化硅（SiO2）纳米颗粒为填料，通过流延法成功制备了PEI/SiO2复合薄膜。流延法制备复合薄膜操作简单，为复合电介质薄膜采用卷对卷技术的连续化制备提供了可能。

击穿场强是电介质复合薄膜关键性能参数。通过添加SiO₂纳米颗粒不仅可以显著提升复合薄膜在常温下的击穿场强，更能够有效抑制击穿场强随温度的下降。PEI/SiO₂-5vol%复合薄膜在150℃下击穿场强为608 MV/m，在同类材料体系中处于领先水平。

通过原子力显微镜（AFM）针尖向PEI薄膜和PEI/SiO₂-5vol%复合薄膜注入-5V电压。扫描开尔文探针显微镜（SKPM）结果表明，纯PEI薄膜在100 ℃时，通过AFM针尖注入的电子已经可以完全自由移动，从而导致较低的击穿场强。然而，在PEI/SiO₂-5vol%复合薄膜中，SiO₂纳米颗粒的存在可以有效地吸附自由电子，且将PEI基体分割成不同的区域，对电子的移动起到散射的作用，从而有效提高复合薄膜的击穿场强。

最后，作者测试了PEI/SiO₂-5vol%复合薄膜在不同频率下的高温储能性能和充放电效率。结果表明，PEI/SiO₂-5vol%复合薄膜在多个频率下的储能性能相较于国内外最新同类文章中的报道都处于先进水平。

本论文是乌镇实验室首次以第一完成单位在国际著名期刊上发表文章。该论文第一作者为新型功能复合材料研究中心孙滨洲助理研究员，共同通讯作者为胡澎浩特聘研究员和沈洋教授。该工作同时还获得了合作单位佛山（华南）新材料研究院和清华大学合作作者的贡献。该研究得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究基金的支持。