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  作為必不可少的脈沖功率儲能單元，以聚合物薄膜為電介質的高壓脈沖電容器在電力系統和國防軍工領域不可或缺。現有聚丙烯電介質介電常數小、儲能密度低，無法滿足電磁能裝備等對高儲能密度的需求。具有中等介電常數的偶極玻璃態聚合物是一類理想的聚合物電介質，但是這類聚合物普遍存在高儲能與低損耗之間不可調和的矛盾。

圖1 聚合物制備與分子量標準及偶極矩與ELF-π斷裂值的計算模擬結果

圖2 聚合物結構表征（A、B、C）及取代苯乙烯單體的表面靜電勢圖（D）與π電子密度分布圖（E）

圖3 電子效應對聚合物介電性能的影響

圖4 電子效應對聚合物絕緣性能的影響

圖5 電子效應對聚合物儲能性能的影響

  St-Cl/MMA共聚物（CSt占比52 mol%）儲能密度達18.3 J/cm3，放電效率85%（接近BOPP的90%）。循環穩定性測試顯示，純氯苯乙烯聚合物在10?次充放電后容量保持率>93%，遠超BOPP（≈80%）。共聚物結構模型（插圖）揭示，MMA單元通過空間位阻與高帶隙特性（黃色箭頭），阻斷苯環間電子傳導，實現擊穿強度與循環壽命的同步優化。

  本研究通過精準調控苯環取代基的電子效應，結合MMA共聚策略，成功實現了聚合物電介質儲能密度（18.3 J/cm3）與能量損耗（tan δ<0.01）的協同突破，為下一代高功率電容器設計提供了創新解決方案。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202415738

作者介紹

  張志成，西安交通大學化學學院教授，博士生導師。主要研究領域包括新型氟聚合物的設計與可控合成，新型電介質的分子設計與偶極調控，電活性高分子及其在高儲能電容器、壓電傳感器等領域的應用等。

  龔紅紅，西安交通大學化學學院副教授，博士生導師。主要研究方向為新型高儲能低損耗聚合物電介質的設計合成、氟聚合物的功能化改性及其在高儲能電容器電介質材料中的應用、結合流動化學的可控自由基聚合研究等。

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5人，副教授5人，助理教授3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6項（重點項目2項、集成項目課題1項）、重點研發計劃1項（首席）、省部級重點項目3項、校企合作項目10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5000余次，個人H因子為39；授權發明專利19項，轉化8項。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，2023年獲山東省泰山產業領軍創新人才稱號，2024年入選國家級人才。獲2022年陜西省技術發明獎二等獎（排名第3），2022年陜西省高校優秀科技成果獎一等獎（排名第1），2022年國家發明創業獎創新獎二等獎（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。