高温储能聚合物电介质研究获进展

中化新网讯 近日，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室沈洋课题组等在高温储能聚合物电介质研究领域取得新进展，相关研究成果以“机器学习设计的高温高储能聚合物复合电容器”为题，于日前发表于《自然·能源》。

聚合物电介质是薄膜电容器的核心储能材料，在电动汽车、风/光发电设施中发挥着不可替代的作用，它具有极高的功率密度和极快的充放电速率，但其能量密度受到高温击穿场强的制约。在聚合物中引入宽带隙、高电子亲和能的填料可以有效抑制其内部的电荷迁移，延缓电荷迁移引发的电子雪崩和击穿裂纹，提高复合电介质的击穿场强，但采用传统的人工搜索方法寻找同时具有宽带隙和高电子亲和能的填料十分困难。

针对上述问题，该课题组采用生成式机器学习方法深入探究了有机分子填料的化学结构与能带结构的关联，训练后的机器学习模型具有较高的性能预测准确度，采用该模型准确输出了200多种有机分子，并合成了两种兼具宽带隙和高电子亲和能的小分子作为填料。掺入聚合物基体的小分子填料一方面可通过高电子亲和能捕获电子，另一方面可通过宽带隙阻碍电子在其内部的迁移，显著降低电介质内部的泄漏电流密度，大幅提升高温击穿场强。

课题组还基于自行搭建的卷对卷流延设备，连续化制备了千米级的复合电介质薄膜，并实现了基于新型聚合物复合电介质薄膜的电容器的工业化生产。相较于传统的聚丙烯薄膜电容器，复合电介质薄膜电容器在高温环境下表现出优异的能量密度、功率密度与电容稳定性，并可实现自愈。