【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學材料科學與工程系講席教授汪宏團隊在高溫儲能電介質材料研究方面取得突破。相關成果以“Metalla-Aromatic Complexes Enhancing the High Temperature Energy Storage Performance of Polycarbonate Polymer”為題，發表于學術期刊 Advanced Energy Materials。
 

　　隨著電動汽車、可再生能源并網及航空航天技術的飛速發展，對能在高溫(≥150°C)極端環境下穩定工作的高性能薄膜電容器需求日益迫切。傳統聚合物電介質(如BOPP)在高溫下面臨傳導損耗激增、儲能性能驟降的瓶頸，而現有高性能有機半導體填料又存在合成復雜、成本高昂的問題。
 

　　針對該問題，汪宏教授團隊聯合南方科技大學格拉布斯研究院夏海平院士團隊突破傳統思路，通過將一種新型鋨(Os)基金屬芳香配合物(MAC-1)引入聚碳酸酯(PC)基體，成功設計出 PC/MACs 復合材料。該材料利用 MAC-1 獨特的 dπ-pπ 共軛體系，從分子層面實現了性能的協同提升。
 

圖1 作為電荷陷阱的鋨基芳香族配合物
 

　　該研究實現了如下創新突破：1. 缺電子核心，打造深度電荷陷阱：MAC-1 分子中的 Os 金屬中心與配體形成強缺電子核心，使材料的陷阱深度從純 PC 的0.89 eV增至復合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，有效捕獲并束縛在高電場、高溫下遷移的電荷載流子；2. 軸向空間位阻，抑制空間電荷遷移：MAC-1分子軸向連接的三苯基膦(-PPh3)配體產生空間位阻效應，防止MAC-1分子間的π-π堆積和電荷跳躍，還擾亂了 PC 聚合物鏈的緊密堆積，擴大了分子間距，進一步抑制空間電荷遷移。
 

圖2 鋨基芳香族配合物保持聚合物耐溫性的同時降低高溫漏導
 

　　通過上述分子級設計，PC/MACs 復合材料在極端條件下實現了關鍵性能的協同突破：1. 降低漏導損耗：MAC-1的引入使陷阱深度從純PC的0.89 eV增至復合材料(PM-1-0.15%)的1.12 eV，150℃下的漏電流密度從純PC的8.8×10-9 A cm-2降至PM-1-0.15%的9.3×10-10 A cm-2，減少幅度達89%；2. 強化擊穿與耐熱性：復合材料在150°C下的擊穿場強從562 MV m-1提升至717 MV m-1。同時，材料玻璃化轉變溫度(Tg)仍保持在180°C以上，具備良好的熱穩定性；卓越的高溫儲能性能：在150°C和717 MV m-1的高電場下，復合材料的放電能量密度達到7.4 J cm-3，放電效率達93%。比純PC(能量密度4.5 J cm-3，效率80%)顯著提升；優異的循環壽命：在150°C下進行充放電循環測試，該復合材料在3.3 J cm-3和4.0 J cm-3能量密度下的壽命分別達到15,849次和11,660次，是純 PC 壽命(6,310次)的兩倍以上。
 

圖3 復合電介質材料的電容儲能性能
 

　　該材料體系為開發適用于電動汽車電機控制器、新能源并網，航天器電力系統等極端環境下的下一代高性能薄膜電容器奠定了材料基礎，有望推動相關領域向小型化、高功率、高可靠的方向發展。
 

　　南方科技大學材料科學與工程系研究助理教授牛玉娟為論文第一作者，化學系研究助理教授陳仕焰為論文共同第一作者，汪宏為論文通訊作者，夏海平院士為論文共同通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。該研究獲得了國家自然科學基金及廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的資助。