聚合物薄膜電容器因其超高功率密度和快速充放電能力，在新能源汽車、脈沖功率系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，常用于制備該類電容器的商用雙向拉伸聚丙烯(BOPP)等材料，存在介電常數(shù)低(ε?~2.2)、擊穿強度弱(BDS~600 MV/m)的瓶頸。芳香族聚合物(如聚酰亞胺，聚碳酸酯等)雖具備高絕緣性，但其強π-π堆疊效應(yīng)會導致高場下電導損耗劇增，嚴重制約其儲能密度提升。因此，開發(fā)兼具高儲能密度、高充放電效率和優(yōu)異穩(wěn)定性的聚合物電介質(zhì)材料，是當前聚合物電容儲能領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。 
針對這一難題，婁曉杰教授團隊提出空間位阻調(diào)控新策略，即通過金剛烷功能化降冰片烯(NBAd)與芳香側(cè)鏈降冰片烯(PNB2APS)共聚，結(jié)合分子動力學模擬，設(shè)計了P(NB2APS-co-NBAd0.05)材料。該研究首次在該領(lǐng)域應(yīng)用位阻抑制機制以提升擊穿強度：金剛烷基團使芳香側(cè)鏈間距從6.8Å擴大至7.4Å，減弱了π-π堆疊效應(yīng)，提高了自由體積分數(shù)，從而使擊穿強度(BDS)提升至865MV/m(較基體材料提高了42%)。該材料還展現(xiàn)出優(yōu)異的儲能性能：在1000MV/m的超高電場下，實現(xiàn)23.5 J/cm³的放電能量密度(Ud)，達到BOPP的412%；在800MV/m電場下，Ud保持在15J/cm³，同時儲能效率(η)超90%。此外，該材料表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性：在10萬次充放電循環(huán)后，Ud與η均未出現(xiàn)衰減，并具備擊穿自修復能力—通過將(C+N+S)/(O+H)控制在低至1.07的分子設(shè)計，使材料擊穿后碳化區(qū)域可與電極自動隔離。此項研究不僅為高性能電容儲能聚合物材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了全新思路，也為該領(lǐng)域未來的發(fā)展注入了強勁動力。
圖. a) 設(shè)計策略示意圖。b) P(NB2APS-co-NBAd0.05) 與其他近期新合成的聚合物材料的最大 Ud 和 BDS 比較。c) 在200 MV/m 循環(huán)數(shù)下的 BOPP 和 P(NB2APS-co-NBAd0.05) 的放電能量密度和放電效率。
以上研究成果以《通過削弱新型聚降冰片烯中的π-π堆疊效應(yīng)實現(xiàn)超高電容儲能》(Ultra-high Capacitance Energy Storage Enabled by Weakening the π-π Stacking Effect in Novel Polynorbornene)為題，發(fā)表于國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學前沿科學技術(shù)研究院為論文第一完成單位，博士生張斌為第一作者，婁曉杰教授為通訊作者。
該研究工作獲得了國家自然科學基金、鄂爾多斯科技合作重大專項以及西安交通大學分析測試中心的支持。
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