清华党智敏教授课题组《Chem. Rev.》综述: 储能电容器用全有机聚合物介电材料的进展与展望

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2021年12月23日，清华大学电机系先进能源电工材料与器件实验室（AEEMD）党智敏教授团队在国际顶级期刊Chemical Reviews（影响因子60.622）发表题为Recent Progress and Future Prospects on All-Organic Polymer Dielectrics for Energy Storage Capacitors综述文章，总结了电容器用全有机介质薄膜材料以及相关计算策略的研究进展。

图1 图片摘要

聚合物基储能电容器因其具有极高的功率密度，已广泛应用于现代电子电气系统，如分布式电源系统、大功率脉冲应用、微波通信、电动汽车、地下油气勘探等。为了提高聚合物薄膜电容器的能量密度，研究人员提出了许多策略，包括无机/有机复合材料、核壳结构填料和多层结构的复合材料。然而，上述实验室制备的聚合物基复合材料由于工艺复杂、机械性能差等限制，目前还无法满足实际工业生产的要求。与受到广泛关注的聚合物纳米复合材料相比，全有机聚合物已被证明是大规模工业化生产过程中更有效的选择。此外，随着电容器的工作环境越来越复杂，例如5G通信要求更高频率的工作环境，这对聚合物基电容器的性能，尤其是耐热性提出了更高的要求。然而，目前的商用薄膜电容器由于其固有的热稳定性较差，无法在没有冷却系统的情况下满足苛刻的温度要求，因此迫切需要具有优异耐高温性能的聚合物材料。此外，结合高通量计算和材料数据库技术的计算机辅助计算已应用于聚合物电介质设计，以有效地寻找具有高介电常数、高带隙和耐高温性的理想全有机聚合物。

图2 论文目录

本综述首先介绍了薄膜电容器介电材料的相关理论基础，包括极化、击穿机理以及介电损耗；然后详解介绍了从材料到器件的大规模制备流程；接着总结了储能电容器领域基于全有机聚合物材料的最新研究，从本征聚合物、分子链改性聚合物、多相聚合物角度入手，重点关注提高介电性能和储能性能的策略；最后回顾了计算机辅助计算，包括密度泛函理论、机器学习和材料基因组等，在聚合物电介质的合理设计和性能预测中的应用。基于对近期该领域研究进展的全面总结，作者提出了用于储能电容器用的全有机聚合物介电材料未来发展的挑战与展望。

图3 存在的挑战和未来的展望

该论文第一作者为清华大学博士生冯启琨，通讯作者为清华大学电机系党智敏教授，其他合作者还包括清华大学电机系博士后钟少龙、清华大学电机系博士生裴家耀、郑州大学电气学院讲师赵玉、清华大学电机系博士后张冬丽、清华大学电机系博士生刘荻帆和清华大学电机系博士生张涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美国化学会（American Chemical Society）发行, 是国际化学化工领域影响力最高的学术期刊之一，2020年影响因子为60.622，在化学类期刊中排名第一。该研究工作得到了国家重点研发计划基金和国家自然科学基金支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793

作者简介：

冯启琨，清华大学电机系2019届博士生，导师为党智敏教授，主要从事高储能电容器用薄膜电介质以及先进绝缘材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys. Lett., IEEE Trans. Plasma Sci.等电气和材料类期刊发表SCI论文十余篇，申请国家发明专利5项。曾获得国家奖学金、清华大学综合优秀奖学金等荣誉。

党智敏，现任清华大学电机系教授，研究方向集中在先进能源/电气材料和器件领域，特别是储能聚合物电介质。已发表期刊论文300余篇，当前被引次数超过13000次，H指数64，作为主编或联合主编出版科学专著7部。担任国内外多个刊物的编委，作为发起人建立了国际刊物IET Nanodielectrics并担任主编。最近，在评选的世界前10万科学家中排名第5113位。

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