聚合物是一類重要的電工絕緣材料，然而聚合物材料的導熱性普遍性較差，提升聚合物的導熱性往往以犧牲絕緣性能為代價，“絕緣和導熱的互為矛盾”是制約聚合物材料在先端電氣電子裝備發展的瓶頸問題之一。盡管在聚合物中引入了無機填料來阻礙導電和提高熱導率，但由于電阻率和熱導率通常呈反相關關系，這兩種特性在單一聚合物結構中的集成尚未實現。
鑒于此，上海交通大學化學化工學院黃興溢教授團隊與美國賓夕法尼亞州立大學王慶教授團隊在《Nature》期刊上發表題為“Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage”的最新研究成果。該研究成果在聚合物電工絕緣材料研究領域取得重大突破。
該研究主要報道了一種新型聚合物電介質薄膜，在大幅提升導熱性能的基礎上使電阻率提升了一個數量級，解決了導熱和絕緣的矛盾。因此，在200°C下，梯形共聚物具有5.34 J cm-3的放電能量密度和90%的充放電效率，優于現有的介電聚合物和復合材料。
圖1|聚合物電介質薄膜的分子結構和自組裝形貌
具體來說，研究人員設計了了一種含氟缺陷的雙鏈結構共聚物PSBNP-co-PTNI（圖1a)。該共聚物通過π-π堆疊作用自組裝成高度有序陣列（圖1b）。通過偏振拉曼光譜測試發現（圖1c），共聚物薄膜的偏振信號在平面上呈各向同性，在斷裂面上呈各向異性，表明有序陣列平行于表面，因此，電介質薄膜在垂直平面方向表現出1.96 ± 0.06 W/(mK)的高導熱系數。
圖2|聚合物電介質薄膜的導電性和電擊穿強度
進一步通過密度泛函理論分析和熱刺激電流實驗表明，PSBNP和PTNI嵌段間存在深度為1.51 eV的電荷陷阱，且隨著外電場強度增加，電荷陷阱深度進一步增大。在PSBNP有序陣列中引入2 mol%的PTNI分子，共聚物PSBNP-co-PTNI0.02表現出最優的電氣絕緣性和最高的電擊穿強度。
圖3|聚合物電介質薄膜的靜電儲能性
電極化儲能測試表明，PSBNP-co-PTNI0.02在150℃和200℃下最大放電能量密度分別為10.42 J/cm3和8.37 J/cm3，90%效率下的放電能量密度分別為6.18 J/cm3和5.34 J/cm3，遠優于現有的聚合物及其復合電介質薄膜（圖3）。
圖4|聚合物電介質的內部溫度，循環穩定性和自愈性
該研究是電氣工程、化學、材料、工程熱物理等多學科的深度交叉融合。本文通過實驗驗證，共聚物薄膜的高熱導率允許有效的焦耳熱耗散，因此在高溫和高電場下具有優異的循環穩定性。共聚物的擊穿自修復能力的證明進一步表明了梯形結構對于在極端條件下工作的高能量密度聚合物電容器的前景。
