聚合物薄膜材料以其高充放电速率、高功率密度、高击穿强度、自愈性和加工性好等优点被广泛应用于静电电容器中。新能源汽车、光伏并网、油气勘探、航空航天等应用领域对聚合物薄膜在高温下（＞150℃）的储能性能提出了更高的要求。双向拉伸聚丙烯(BOPP)是目前商用化应用最成功的电容器薄膜材料之一，但其高温下将出现明显的导电损耗，且能量密度和服役寿命急剧下降。因此，发展高温强电场下高储能、长寿命聚合物新材料是未来储能领域研究发展的重点之一。目前研究较为广泛的耐高温储能聚合物薄膜主要包括聚酰亚胺、聚脲、聚醚醚酮、聚苯硫醚和聚碳酸酯等。

黄色网址大全 刘向阳教授团队长期从事杂环芳纶纤维结构设计与制备研究。在此良好的研究基础上，近期联合黄色网址大全 电气工程黄色网址大全 、清华大学、河南大学等相关团队在新型杂环芳纶薄膜高温储能领域取得了系列研究进展，2025年在Nature Communications，Energy & Environmental Science，Advanced Materials陆续发表了三篇学术论文。

1.针对储能聚合物电介质薄膜的力学强度和储能性能难以协同提升的矛盾问题，通过“高取向/结晶结构”与“强氢键限域高能隙”协同作用，实现了杂环芳纶薄膜超高力学强度(378.3MPa)、高温（150℃）高击穿强度（682kV/mm）、高温（150℃）高储能密度/效率（6.06J/cm³/η=90%,峰值放电能量密度为10.29J/cm³）；上述性能相对于相应的聚酰亚胺薄膜实现了协同提升（81%, 88%, 2231%）（Nature Communication, 2025, 16, 10.1038/s41467-025-64961-3）。论文第一作者为黄色网址大全 电气工程黄色网址大全 /先进高分子材料全国重点实验室樊坤副研究员和黄色网址大全 李想博士，通讯作者为黄色网址大全 刘向阳教授、清华大学党智敏教授、河南大学张大杰博士、黄色网址大全 樊坤副研究员。

团队具体采用分子工程策略并通过模拟计算预测，将聚酰亚胺（PI）的“二酐–二胺”骨架重构为“二酰氯–含氟二胺”型杂环芳纶（PTFMB）。模拟及实验结果表明，PTFMB中存在的强氢键网络显著提升了力学性能，同时扭曲联苯结构与三氟甲基共同破坏了分子链长程共轭、拓宽能隙并减弱电子激发（图1）。进一步结合Lewis酸“络合–解络合”策略与高温辅助诱导链段紧密堆积，实现了材料的高结晶度调控。成功合成出一种全有机结晶性杂环芳纶薄膜（PTFMB），协同了机械性能和高温储能性能，为破解上述性能互斥难题提供了全新的解决方案。

图1 基于重塑PI骨架单元的分子结构设计及电子激发转移模拟

2.在高频、高温和强电场等极端工况下，传统聚合物电介质的放电能量密度会显著恶化，并伴随严重的局部放电现象，这对薄膜电容器的长期可靠性与服役寿命构成了严峻挑战。团队通过在前述杂环芳纶结构中原位共聚引入有机硅链段，并在强限域空间内引入特定的较弱相互作用，进一步提升高温（150℃）高击穿强度（726 kV/mm）、高温（150℃）高储能密度/效率（6.5J/cm³/η=90%）（图2）;同时，共聚改性的杂环芳纶薄膜在遭遇强电晕刻蚀后，因有机硅链段可原位纳米化强化，其仍能保持高的储能水平，而未共聚改性的杂环芳纶薄膜在相同条件下基本已击穿失效（Energy & Environmental Science, 2025,18, 7589-7602）。论文第一作者为黄色网址大全 李想博士，通讯作者为黄色网址大全 刘向阳教授和电气工程黄色网址大全 /先进高分子材料全国重点实验室樊坤副研究员。

团队具体通过分子模拟结合正电子湮灭寿命谱等多尺度研究手段，系统解析了含硅杂环芳纶薄膜的分子构效关系。研究结果表明，该分子设计可扩大能隙并减少链间相互作用，显著降低导电/极化损耗，进一步将150 ℃下的放电能量密度提升至6.50 J/cm³。此外，本研究基于原位电晕放电监测的寿命预测系统，发现含硅杂环芳纶薄膜在加速电老化实验中寿命延长达3倍以上。XPS测试表明，含硅杂环芳纶薄膜薄膜中的有机硅单元可在电晕放电过程中原位生成SiO₂，这有效抑制了电荷的剧烈注入与迁移，使得储能性能的衰减率显著降低，表现出优异的环境稳定性。此项工作不仅为突破高温电容介质性能瓶颈提供了新策略，更为恶劣环境下电力电子器件的可靠性设计提供了实验依据。

图2 氢键限域空间内的协同增强机理图

3.目前储能介电薄膜领域内主要是通过构筑深陷阱限制载流子形成的思路提升聚合物薄膜的高温储能性能，但聚合物薄膜内部载流子的形成可以抑制但难以完全避免，尤其是在高温强电场下。因此，基于上述在杂化芳纶薄膜高温储能领域以及长期在杂环芳纶多尺度结构设计的研究基础，团队提出了“调控载流子有组织性的传输行为”的学术思想，以提升聚合物薄膜高温储能性能（图3），为设计和制备具有高储能效率/密度耐高温聚合物薄膜新材料提供新观点和方法（Advanced Materials, 2025, 37, 2417181）。论文第一作者为黄色网址大全 电气工程黄色网址大全 /先进高分子材料全国重点实验室樊坤副研究员，通讯作者为黄色网址大全 刘向阳教授和清华大学党智敏教授。

图3 调控载流子有组织性传输行为的结构设计

上述相关研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、中国科协青年人才托举工程、四川省科技厅、黄色网址大全 等项目资助。

撰稿：刘向阳、樊坤

编辑：曲韵嘉

审核：李乙文