突破42%击穿强度！西安交大团队研发新型聚合物材料，让电容储能密度飙升4倍

电子发烧友网综合报道
在新能源汽车、脉冲功率系统等领域，聚合物薄膜电容器凭借超高功率密度与快速充放电能力，成为关键储能部件。

然而，长期以来，商用聚合物材料始终面临性能瓶颈,双向拉伸聚丙烯（BOPP）虽应用广泛，介电常数仅约2.2，击穿强度不足600 MV/m，储能密度受限；芳香族聚合物如聚酰亚胺、聚碳酸酯虽具备高绝缘性，但强π-π堆叠效应会导致高电场下电导损耗剧增，同样难以满足高性能需求。开发兼具高储能密度、高充放电效率与优异稳定性的聚合物电介质材料，成为全球储能领域亟待突破的难题。

针对这一行业痛点，西安交通大学娄晓杰教授课题组创新提出空间位阻调控策略，通过分子结构设计打破性能桎梏。团队选择金刚烷功能化降冰片烯（NBAd）与芳香侧链降冰片烯（PNB2APS）进行共聚，结合分子动力学模拟，成功制备出 P (NB2APS-co-NBAd0.05) 新型聚合物材料。

a) 设计策略示意图。b) P(NB2APS-co-NBAd0.05)与其他近期新合成的聚合物材料的最大Ud和BDS比较。c) 在200MV/m循环数下的BOPP和P(NB2APS-co-NBAd0.05)的放电能量密度和放电效率。

这一设计的核心突破在于首次将位阻抑制机制应用于聚合物储能领域：金刚烷基团的引入，使芳香侧链间距从6.8Å扩大至7.4Å，有效削弱了π-π堆叠效应，同时提升了材料自由体积分数，为击穿强度提升奠定关键基础。

实验数据显示，该新型材料展现出远超传统材料的综合性能。在击穿强度方面，P (NB2APS-co-NBAd0.05)达到865 MV/m，较基体材料提升42%，大幅降低高电场下击穿失效风险；储能密度更是实现质的飞跃，在1000 MV/m超高电场下，放电能量密度（Ud）达到23.5J/cm³，是商用BOPP材料的4.12倍，即便在800 MV/m电场下，Ud仍保持15 J/cm³，且储能效率（η）超90%，兼顾高储能与低损耗。

更值得关注的是其卓越的稳定性，经过10万次充放电循环后，材料的放电能量密度与储能效率均未出现明显衰减，且具备独特的击穿自修复能力——通过将(C+N+S)/(O+H)原子比控制在1.07的低水平，材料击穿后产生的碳化区域可自动与电极隔离，避免故障扩大，极大延长使用寿命。

在与近期其他新合成聚合物材料的对比中，P (NB2APS-co-NBAd0.05)的优势同样显著。从最大放电能量密度与击穿强度的综合性能来看，该材料在已报道的同类研究中处于领先水平，尤其在高电场稳定性与循环寿命上，展现出不可替代的竞争力。

这一成果不仅为高性能电容储能聚合物材料的结构设计提供了全新思路——通过精准调控分子空间结构解决性能矛盾，更打破了“高储能密度必然伴随高损耗”的行业认知，为聚合物电容器向更高功率、更长效、更可靠方向发展提供了可行路径。

据悉，该研究成果以《通过削弱新型聚降冰片烯中的π-π堆叠效应实现超高电容储能》为题，发表于国际著名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），西安交通大学前沿科学技术研究院为论文第一完成单位，博士生张斌为第一作者，娄晓杰教授为通讯作者。