清华大学李琦&宾州州立大学王庆《Chem.Rev.》综述：用于电子和能源器件的自修复聚合物材料

点击上方“蓝字” 一键订阅

相比于金属和陶瓷，聚合物因质量轻、机械延展性高、电性能易调节、加工温度低等优势在电子和能源器件中得到广泛应用。尤其在对柔性要求较高的可穿戴电子设备和生物相容性器件中，全聚合物可拉伸结构设计成为主要趋势。而聚合物在重复拉伸变形过程中容易出现机械损伤，长期处于高电压的聚合物易因内部缺陷引起的局部高电场产生电损伤，外部环境造成的化学腐蚀、热应力也是损伤的产生原因，多种损伤形式都将影响器件的性能和使用寿命。自修复功能的引入可大大提升聚合物的性能稳定性和设备的运行可靠性，不同的自修复策略已应用于多种电子和能源设备中。

近日，清华大学李琦与宾州州立大学王庆等合作发表了题为“Self-healing polymers for electronics and energy devices”的综述文章，系统总结了将自修复聚合物应用于能源设备、电子元器件、光电器件和绝缘电介质领域的最新重要进展，分析了聚合物中出现机械损伤或电损伤的基本机理及对应自修复方法的区别，阐述了自修复聚合物器件的重要概念（图1），并指出当前设计自修复聚合物器件所采用策略的优势与局限性。

图1 可完全自修复的柔性电子系统：由多种基于自修复聚合物的电子元器件组成，包括太阳能电池板、蓄电池、能量收集装置、传感器、显示器等

首先，作者简单介绍了自修复化学的基本概念，并列举了不同应用下自修复聚合物的研究策略。根据电子器件中聚合物表现出的不同电性能，分析了自修复导体、半导体和绝缘体设计时的重点考虑因素。其中，自修复导体的电导率的修复依靠内部导电通道的重建，常将导电纳米颗粒填充到自修复动态交联聚合物基体中；自修复半导体大多基于半结晶共轭聚合物，并将可形成动态可逆共价键或相互作用的官能团引入分子主链或侧链，但这些基团对原基体共轭结构和载流子迁移率的影响不可忽略；自修复绝缘电介质要求低泄漏电流和低介质损耗，因此含金属催化剂的微胶囊自修复以及基于金属-配体相互作用和离子相互作用的修复方法因劣化聚合物的绝缘性能而不再适用。

其次，作者介绍了用于能源器件的自修复聚合物，分别从摩擦纳米发电机、热电器件、锂离子电池、超级电容器四种能量收集和转换器件展开。如：摩擦纳米发电机(TENG)摩擦电层的表面微结构易因反复摩擦而磨损，设计基于形状记忆效应的自修复聚氨酯(PU)作为中间摩擦层可通过温度控制实现电极图案的多次修复，提高电能输出；向具有高塞贝克系数的离子热电聚合物中引入氢键相互作用，无外部刺激即可实现热电材料的自发修复；在锂离子电池硅阳极微粒(SiMPs)的表面3D涂覆基于主客体相互作用交联的聚合物粘合剂，可抑制SiMPs的体积变化和破裂，提供活性材料之间的紧密连接，提高电极的完整性和稳定性（图2）；通过将活性电极材料填充到自修复聚合物基体中，可显著提高超级电容器的循环性能。

图2 锂离子电池硅阳极表面基于主客体相互作用的动态交联聚合物粘合剂

第三，作者介绍了用于电子设备的自修复聚合物，分别从可拉伸导体、场效应晶体管、传感器和介电弹性体致动器四个部分展开。如：导电咪唑作为客体分子与葫芦脲主体络合得到可拉伸导体，分子链的缠结滑动和主客体相互作用的协同作用使水凝胶具有高韧性和自修复能力，内部移动离子构成渗滤导电路径；将PU长侧链引入吡咯并吡咯二酮(DPP)基半导电聚合物，氢键相互作用提供自修复能力，并使分子链表现出共轭结构规整性，有利于有机晶体管半导体材料载流子迁移率的提高（图3）；基于导电聚合物的压阻效应、应变电容效应、对温度敏感等特性，设计自修复分子链结构，可制成自修复且灵敏度高的压力、温度和化学传感器。

图3 含PU侧链的自修复PDPP基半导体聚合物

第四，作者介绍了用于光电器件的自修复聚合物，并从光伏器件、光电探测器、电致发光器件和电致变色器件四种器件展开列举。聚合物（尤其是导电聚合物）常用作柔性光电器件的电极、光活性材料和封装材料。将自修复聚合物引入钙钛矿太阳能电池中，可增强其对机械损伤和环境老化的抵抗能力，并通过封装有效降低卤化铅钙钛矿器件中铅的泄露风险（图4）；含自修复组份的光电探测器、发光二极管(LED)、发光电容器(LEC)等可为环境监测、人机交互、显示照明和光通信提供可靠保障。

图4 自修复环氧树脂作为封装材料以减少受损钙钛矿太阳能组件中的铅泄漏

第五，作者总结了聚合物电介质中电损伤的特点，讨论了当前电损伤自修复方法的应用与局限，并明确了修复电树枝老化损伤的特殊要求和挑战。相比于机械损伤，电损伤通常同时包含物理破环和化学老化，如发光发热、产生自由基、碳化并在树枝通道内生成气体小分子。针对电损伤的特点和绝缘介质的性能要求，归纳了聚合物基于电致发光、阴离子聚合等的微胶囊自修复和基于氢键超分子、静电相互作用、Diels-Alder可逆键等的本征型自修复策略以及利用超顺磁纳米颗粒靶向修复热塑性材料的自修复方法。

最后，作者对上述面向不同电子和能源器件应用的自修复聚合物的最新研究进行总结和展望，分析了目前自修复聚合物广泛应用所面临的挑战，加工工艺的不兼容、性能测试环境的局限以及与传统材料关键性能的差异都是自修复设计中需要优化的因素，同时高度肯定了自修复聚合物对延长器件使用寿命和推动未来可持续发展的积极影响。

以上成果以“Self-healing polymers for electronics and energy devices”为题发表在《Chemical Reviews》(DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00231)。论文第一作者是宾州州立大学博士后周垚（清华大学电机系2014级直博生），通讯作者为清华大学李琦副教授和宾州州立大学王庆教授，合作者还包括清华大学何金良教授等。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.2c00231

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多