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  脈沖功率電容器作為關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件廣泛地應(yīng)用于電子器件、汽車、航天器和電磁彈射器等裝備。相比電池電容器，電介質(zhì)電容器具有超高功率密度獨特優(yōu)勢，而具有高能量密度U_e、低能量損耗、機械柔性的電介質(zhì)聚合物更是下一代電子和功率器件的理想材料。但是現(xiàn)有聚合物電介質(zhì)材料往往依賴于取向極化而普遍存在儲能密度與能量損耗不可調(diào)和的矛盾。如何解耦高儲能與損耗之間強依賴關(guān)系是獲得優(yōu)異的儲能性能的關(guān)鍵因素。

  近日，西安交大張志成教授團(tuán)隊基于理論模擬，設(shè)計了一種由氟原子取代的極性苯乙烯（4-氟苯乙烯, 4-FSt）與甲基丙烯酸甲酯（MMA）組成的無規(guī)共聚物材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引入61 mol%的4-FSt單元時，共聚物的介電儲能性能最佳，在825 MV/m電場下，薄膜的可釋放能量密度為16.6 J/cm³，可釋放能量效率η>88%。且該介電薄膜在300 MV/m電場下經(jīng)過10⁴充放電循環(huán)后表現(xiàn)出良好的抗疲勞特性（η>93%）。

圖1（A, B）苯乙烯，4-氟苯乙烯偶極矩、電荷分布以及表面靜電勢模擬，（C, D）聚合物分子間作用RDG散點圖分析，（E）乳液聚合制備共聚物，（F）苯乙烯，4-氟苯乙烯的¹H NMR表征，（G）聚合物羰基峰紅外表征圖，（H）聚合物的¹H NMR表征以及（I）聚合物的GPC表征

圖2（A, B）25℃時聚合物介電頻譜，（C, D）10³ Hz時聚合物介電溫譜，（E）室溫下聚合物泄漏電流表征以及（F）室溫下聚合物擊穿強度測試

圖3（A）室溫下聚合物與BOPP功率密度對比，（B）室溫下聚合物抗疲勞性能表征，（C）室溫下聚合物儲能性能計算以及（D）聚合物儲能能力與目前報道幾類電介質(zhì)材料對比

  相比于目前商業(yè)化性能最好的BOPP電介質(zhì)材料，300 MV/m時4-FSt含量為61mol%的聚合物功率密度提升超過27%，且經(jīng)過10000次循環(huán)后性能損耗低于7%。最終實現(xiàn)825 MV/m時以超過88%的效率獲得超過16.6 J/cm³的可釋放能量密度。該方法首次提出利用電子云變形取代取向極化成功解耦高儲能與損耗之間的強依賴關(guān)系，對未來電介質(zhì)材料發(fā)展提提供了全新的思路，具有重大的啟發(fā)價值。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146738

作者介紹

  張志成，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域包括新型氟聚合物的設(shè)計與可控合成，新型電介質(zhì)的分子設(shè)計與偶極調(diào)控，電活性高分子及其在高儲能電容器、壓電傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。

課題組簡介

  張志成教授團(tuán)隊的研究領(lǐng)域主要有有機氟化學(xué)與氟聚合物化學(xué)改性、先進(jìn)儲能高分子的設(shè)計與可控合成、儲能聚合物復(fù)合電介質(zhì)研究、智能材料合成與傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)功能材料、無機多孔材料水污染治理應(yīng)用研究等六個方向。團(tuán)隊現(xiàn)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(tuán)隊負(fù)責(zé)人張志成教授十幾年來致力于電功能氟聚合物設(shè)計合成及先進(jìn)聚合物電介質(zhì)研究，包括新型氟聚合物的設(shè)計、改性方法、氟聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究、電活性氟聚合物及其在高儲能電容器、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。近年來圍繞氟聚合物的合成改性，開發(fā)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(shè)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(diào)控方面進(jìn)行了系統(tǒng)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(yīng)用方面開展了相關(guān)工作，積累了一定的研究基礎(chǔ)。主持國家自然科學(xué)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(fā)表 高水平論文150余篇，發(fā)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(jì)優(yōu)秀人才計劃，2019年獲得陜西省職工十大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人物稱號，獲2021年陜西省技術(shù)發(fā)明獎二等獎（排名第3）�，F(xiàn)任《高分子通報》、《IET Nanodielectric》、《Reactive and Functional Polymers》、《大學(xué)化學(xué)》等期刊編委。