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  金屬化膜電容器因其具備高功率密度、快速充放電能力以及優異的加工性能，在電力系統與醫療設備等能量存儲設備中發揮著不可替代的重要作用。近年來，隨著可再生能源技術和電磁發射系統的快速發展，對薄膜電容器的需求持續增長，同時對其能量存儲性能也提出了更高要求。然而，現有聚合物基薄膜材料普遍存在能量密度偏低的問題，難以適應現代電力電子及醫療設備對輕量化、小型化和高度集成化的嚴苛要求。因此，亟需開發兼具高能量密度與低能量損耗的新型聚合物基儲能電介質材料。

  近日，西安交通大學化學學院張志成教授團隊聯合西安交通大學第二附屬醫院高登峰教授團隊提出了一種創新策略，通過剛性萘環的自由體積與能帶結構的協同調控機制，有效解耦偶極玻璃態聚合物中高能量密度與高能量損耗之間的矛盾（圖1）。研究團隊通過將2-乙烯基萘（2-VN）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚合，成功合成了一種新型無規共聚物P(MMA-VN)（圖2）。共聚引入的剛性萘環結構有效增大了甲基側基的自由體積，提升了聚合物的極化能力，并顯著抑制了弛豫損耗（圖3）。此外，萘環對能級結構的調控引入了陷阱能級，增強了載流子俘獲能力，有效降低了漏導損耗以及熱擊穿與電擊穿的風險（圖4）。當VN含量為5 mol%時，材料的儲能性能最優，其在800 MV/m的電場下展現出優異性能，能量密度高達19.3 J/cm3，放電效率超過89%（圖5），在絕大數已報道的聚合物基介電材料中處于領先水平（圖6）。所制備的P(MMA-VN)介電材料在實現高能量密度與高放電效率協同提升的同時，兼具優異的溶液加工性及熱/機械穩定性，具備良好的規模化制備潛力，是面向電動汽車、可再生能源系統與柔性電子器件等領域先進電容器的理想候選材料。此外，該設計策略具有較強的普適性，可拓展應用于其他聚合物體系，為開發新一代高性能介電材料提供了通用平臺。該研究為提升薄膜電容器的能量存儲性能開辟了新路徑，展現出在介電能量存儲領域的廣闊應用前景。

圖1. P(MMA-VN)介電儲能性能提升機理圖

圖2. P(MMA-VN)聚合物薄膜的制備及結構表征

圖3. P(MMA-VN)低電場下介電性能與自由體積表征

圖4. P(MMA-VN)高電場下絕緣性能與能帶結構表征

圖5. P(MMA-VN)的介電儲能性能與循環穩定性

圖6. P(MMA-VN)與已有報道的先進聚合物基介電材料儲能性能對比圖。

  相關研究成果以“Synergistic Modulation of Free Volume and Band Structure Assist the High Energy Storage Performance of Polymer Dielectrics”為題發表在《Advanced Functional Materials》。西安交通大學張志成教授、西安交通大學第二附屬醫院高登峰教授為論文的通訊作者，西安交通大學助理教授張美榮為論文第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金（NO. 92066204, 52373021, 52403074）、國家重點研發計劃 (2023YFB3208400),中央高校基本科研業務費（No. xzy012024055），國家資助博士后項目（GZC20241337），教育部重點實驗室開放課題（No. xxx-2024-zd010）等項目的資助。

  原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202506101

  張志成教授主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang/2

  高登峰教授主頁：https://www.xjtu.edu.cn/jsnr.jsp?wbtreeid=1632&wbwbxjtuteacherid=1804 

團隊介紹：

張志成教授電功能高分子課題組

課題組簡介：

  張志成教授團隊的研究領域主要有有機氟化學與氟聚合物化學改性、先進儲能高分子的設計與可控合成、儲能聚合物復合電介質研究、智能材料合成與傳感器應用、生物醫學功能材料、無機多孔材料水污染治理應用研究等六個方向。團隊現有科研人員9人，其中教授4人，副教授3人，助理教授2人，在讀研究生40余人。

  團隊負責人張志成教授十幾年來致力于電功能氟聚合物設計合成及先進聚合物電介質研究，包括新型氟聚合物的設計、改性方法、氟聚合物材料的結構性能關系研究、電活性氟聚合物及其在高儲能電容器、傳感器等領域的應用等。近年來圍繞氟聚合物的合成改性，開發了多種基于C-Cl、C-F 鍵活化的可控改性方法，為新型氟聚合物的設計合成開辟了新途徑；在氟聚合物鐵電壓電特性及電性能調控方面進行了系統研究，并取得了豐碩的成果；在鐵電聚合物薄膜傳感器及能量收集應用方面開展了相關工作，積累了一定的研究基礎。主持國家自然科學基金項目4項（重點1項，面上2項，青年1項），省部級科研項目8項，橫向項目20余項。以第一（通訊）作者共發表 高水平論文150余篇，發表 SCI論文被引用3400余次，個人H因子為33。2010年入選教育部新世紀優秀人才計劃，2019年獲得陜西省職工十大創新創業人物稱號，獲2021年陜西省技術發明獎二等獎（排名第3）。現任《高分子通報》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學化學》等期刊編委。

  課題組長期招收電介質儲能、介電彈性體、聚合物鐵電壓電材料等方向的碩士、博士研究生。