近日，清华大学材料学院沈洋教授课题组围绕“高温储能聚合物电介质”主题，在《自然·能源》（Nature Energy）期刊上发表研究成果。该项研究成果由清华大学材料学院和乌镇实验室新型功能复合材料研究中心共同完成，为国内首创，并已在由乌镇实验室新型功能复合材料研究中心自主搭建的工业化流延设备上实现亚纳米复合电介质薄膜的连续化卷对卷生产，所获得的薄膜具有稳定的储能性能，展现出广阔的工业化应用前景。

　　沈洋课题组首先从纳米技术的角度综述了高温储能聚合物电介质领域的研究现状。根据影响聚合物电介质高温能量密度的三个关键因素“介电常数”“击穿场强”和“热稳定性”，梳理了提高其高温能量密度的主要研究方向，包括提升介电常数的关键在于增加偶极子数目和减弱偶极子取向阻碍，增强击穿场强需要侧重电介质的机械增强和电荷捕获，保障性能热稳定性需要兼顾高结构热稳定性和快速热导。基于上述研究方向，课题组介绍了不同尺度的纳米技术，如宏观层面的纳米级表面包覆、填料层面的纳米填料掺杂、链段层面的聚合物交联、单体层面的聚合物结构设计等。此外，课题组还对高温储能聚合物电介质的未来发展方向进行了展望。

　　基于上述研究思路，课题组合成了磷钨酸亚纳米片作为填料，开发了一种聚合物基亚纳米复合电介质，全面提升了聚合物电介质的高温储能性能。其中，磷钨酸亚纳米片的厚度不足1纳米，横向尺寸达到3微米，可在复合材料中引入大量的界面区域。这使其既可通过调控周围聚合物链段分布增强偶极子极化，提高介电常数，也可通过界面区域的能级失配引入高密度电荷陷阱，还可在其面外方向阻碍击穿路径扩展，在其面内方向传导载荷，实现机械增强。其次，磷钨酸亚纳米片独特的周期排布团簇结构赋予其极强的电荷捕获和容纳能力，可通过内部W离子变价而捕获大量空间电荷，显著降低高温漏电流。此外，这种亚纳米片具有柔性，且表面接有有机表面活性剂，和聚合物基体展现出极高的结构相容性，这使得亚纳米复合材料的界面缺陷较少，高温绝缘性能获得进一步提升。因此，极小含量的亚纳米片（0.2 wt%）便可使复合电介质的介电常数、击穿场强和热稳定性获得显著提升，并实现200℃环境中50万次的充放电循环。更为重要的是，课题组依托乌镇实验室，采用工业化流延设备上实现了亚纳米复合电介质薄膜的连续化卷对卷生产，所获得的薄膜具有稳定的储能性能，展现出广阔的工业化应用前景。

　　据了解，《自然》（Nature）是全球首屈一指的科学周刊，基于科学研究的原创性、重要性、跨学科影响力、即时性、传播力和成果的突破性，发表出色的经过同行评审的原创性研究。2022年引用次数将近100万，且已连续11年在多学科领域影响因子排名第一。《自然-能源》属于《自然》系列研究期刊，2022年影响因子为56.7，在能源与燃料领域期刊排名第一，已入选SCI、SCIE来源期刊。

编辑：周志鹏

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审核：吴靖