凯斯西储大学祝磊教授和长安大学魏俊基博士Prog.Polym.Sci.综述：可用于高能量密度和低损耗电能存储的本征介电聚合物

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在新能源汽车、高速铁路、智能电网调频、可穿戴电子和可打印电子器件等电力电子设备中高分子电介质材料发挥着极其重要的作用。随着科技的日新月异，高介电常数、低介电损耗和耐高温已经成为先进高分子电介质材料的三大指标，也是本领域科学家孜孜不倦追求的目标。对于介电材料而言，高极化和低介电损耗是相互对立的两种性能，如何在高介电常数和低损耗之间建立平衡就显得尤为重要。

鉴于在介电高分子材料领域的创新工作和积累，近日，凯斯西储大学祝磊教授和长安大学魏俊基博士共同合作在《高分子科学进展》（Progress in Polymer Science）期刊撰写了题目为“Intrinsic polymer dielectrics for high energy density and low loss electric energy storage”的综述论文。论文第一作者为魏俊基博士，祝磊教授为通讯联系人。

该综述首先针对介电聚合物提出了非本征介电聚合物和本征介电聚合物的概念。文章进一步探讨了非本征介电高分子和本征介电高分子各自的极化机理和优缺点。从物理分析和实验数据的双重角度，深度剖析了在保持低介电损耗的同时，如何尽可能的提高介电聚合物介电常数的可行之路。最后文章提出以偶极玻璃高分子和高分子多层膜为代表的本征介电聚合物是实现高储能电容器的优选材料。

1. 偶极玻璃高分子（Dipolar Glass Polymers, DGPs）

在玻璃化转变温度以下，高分子的主链被冻结，只有分子链内部的极性基团可以运动，从而具有高介电常数的介电高分子被称为偶极玻璃高分子，可以进一步划分为主链型DGPs和侧链型DGPs。

图1. (A) 一种DGPs型高分子PMSEMA 的εr′和εr′′随温度的变化曲线，(B) PMSEMA的双极D-E回路曲线

图2. 另一类DGPs型高分子(A)SO₂-PPO₂₅和(B)SO₂-PPO₅₂的双极D-E回路曲线，(C) SO₂-PPO₂₅和SO₂-PPO₅₂能量释放密度随温度的变化曲线，(D) SO₂-PPO₂₅和SO₂-PPO₅₂能量释放率随温度的变化曲线。

2.高分子多层膜

利用PVDF与另一种高分子通过熔融共挤出工艺可以制备出介电常数在4-7之间的高分子多层膜，其介电常数可以通过PVDF的含量控制。这种高分子多层膜可以将本征介电性能和非本征介电性能结合在一起，充分利用了界面极化、取向极化和电子极化等极化方式，还可以获得高的击穿场强。由于此种介电高分子材料生产工艺简单易行，具备大规模生产的条件，在今后的先进薄膜电容器领域具有较大的应用潜力。

图3. (A) 多层薄膜共挤出工艺，(B) 薄膜层数倍增机理，(C) 体积比为50/50的PC/PVDF多层薄膜的AFM图，(D)多层薄膜内部各种极化机理的优缺点对比。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670020300472

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