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  2021年12月23日，清華大學電機系先進能源電工材料與器件實驗室（AEEMD）黨智敏教授團隊在國際頂級期刊Chemical Reviews（影響因子60.622）發表題為Recent Progress and Future Prospects on All-Organic Polymer Dielectrics for Energy Storage Capacitors綜述文章，總結了電容器用全有機介質薄膜材料以及相關計算策略的研究進展。

圖1 圖片摘要

  聚合物基儲能電容器因其具有極高的功率密度，已廣泛應用于現代電子電氣系統，如分布式電源系統、大功率脈沖應用、微波通信、電動汽車、地下油氣勘探等。為了提高聚合物薄膜電容器的能量密度，研究人員提出了許多策略，包括無機/有機復合材料、核殼結構填料和多層結構的復合材料。然而，上述實驗室制備的聚合物基復合材料由于工藝復雜、機械性能差等限制，目前還無法滿足實際工業生產的要求。與受到廣泛關注的聚合物納米復合材料相比，全有機聚合物已被證明是大規模工業化生產過程中更有效的選擇。此外，隨著電容器的工作環境越來越復雜，例如5G通信要求更高頻率的工作環境，這對聚合物基電容器的性能，尤其是耐熱性提出了更高的要求。然而，目前的商用薄膜電容器由于其固有的熱穩定性較差，無法在沒有冷卻系統的情況下滿足苛刻的溫度要求，因此迫切需要具有優異耐高溫性能的聚合物材料。此外，結合高通量計算和材料數據庫技術的計算機輔助計算已應用于聚合物電介質設計，以有效地尋找具有高介電常數、高帶隙和耐高溫性的理想全有機聚合物。

圖2 論文目錄

  本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關理論基礎，包括極化、擊穿機理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規模制備流程；接著總結了儲能電容器領域基于全有機聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點關注提高介電性能和儲能性能的策略；最后回顧了計算機輔助計算，包括密度泛函理論、機器學習和材料基因組等，在聚合物電介質的合理設計和性能預測中的應用。基于對近期該領域研究進展的全面總結，作者提出了用于儲能電容器用的全有機聚合物介電材料未來發展的挑戰與展望。

圖3 存在的挑戰和未來的展望

  該論文第一作者為清華大學博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學電機系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學電機系博士后鐘少龍、清華大學電機系博士生裴家耀、鄭州大學電氣學院講師趙玉、清華大學電機系博士后張冬麗、清華大學電機系博士生劉荻帆和清華大學電機系博士生張涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美國化學會（American Chemical Society）發行, 是國際化學化工領域影響力最高的學術期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學類期刊中排名第一。該研究工作得到了國家重點研發計劃基金和國家自然科學基金支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793

作者簡介：

  馮啟琨，清華大學電機系2019屆博士生，導師為黨智敏教授，主要從事高儲能電容器用薄膜電介質以及先進絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys. Lett., IEEE Trans. Plasma Sci.等電氣和材料類期刊發表SCI論文十余篇，申請國家發明專利5項。曾獲得國家獎學金、清華大學綜合優秀獎學金等榮譽。

  黨智敏，現任清華大學電機系教授，研究方向集中在先進能源/電氣材料和器件領域，特別是儲能聚合物電介質。已發表期刊論文300余篇，當前被引次數超過13000次，H指數64，作為主編或聯合主編出版科學專著7部。擔任國內外多個刊物的編委，作為發起人建立了國際刊物IET Nanodielectrics并擔任主編。最近，在評選的世界前10萬科學家中排名第5113位。