聚合物是一类重要的电工绝缘材料，然而聚合物材料的导热性普遍性较差，提升聚合物的导热性往往以牺牲绝缘性能为代价，“绝缘和导热的互为矛盾”是制约聚合物材料在先端电气电子装备发展的瓶颈问题之一。尽管在聚合物中引入了无机填料来阻碍导电和提高热导率，但由于电阻率和热导率通常呈反相关关系，这两种特性在单一聚合物结构中的集成尚未实现。
鉴于此，上海交通大学化学化工学院黄兴溢教授团队与美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授团队在《Nature》期刊上发表题为“Ladderphane copolymers for high temperature capacitive energy storage”的最新研究成果。该研究成果在聚合物电工绝缘材料研究领域取得重大突破。
该研究主要报道了一种新型聚合物电介质薄膜，在大幅提升导热性能的基础上使电阻率提升了一个数量级，解决了导热和绝缘的矛盾。因此，在200°C下，梯形共聚物具有5.34 J cm-3的放电能量密度和90%的充放电效率，优于现有的介电聚合物和复合材料。
图1|聚合物电介质薄膜的分子结构和自组装形貌
具体来说，研究人员设计了了一种含氟缺陷的双链结构共聚物PSBNP-co-PTNI（图1a)。该共聚物通过π-π堆叠作用自组装成高度有序阵列（图1b）。通过偏振拉曼光谱测试发现（图1c），共聚物薄膜的偏振信号在平面上呈各向同性，在断裂面上呈各向异性，表明有序阵列平行于表面，因此，电介质薄膜在垂直平面方向表现出1.96 ± 0.06 W/(mK)的高导热系数。
图2|聚合物电介质薄膜的导电性和电击穿强度
进一步通过密度泛函理论分析和热刺激电流实验表明，PSBNP和PTNI嵌段间存在深度为1.51 eV的电荷陷阱，且随着外电场强度增加，电荷陷阱深度进一步增大。在PSBNP有序阵列中引入2 mol%的PTNI分子，共聚物PSBNP-co-PTNI0.02表现出最优的电气绝缘性和最高的电击穿强度。
图3|聚合物电介质薄膜的静电储能性
电极化储能测试表明，PSBNP-co-PTNI0.02在150℃和200℃下最大放电能量密度分别为10.42 J/cm3和8.37 J/cm3，90%效率下的放电能量密度分别为6.18 J/cm3和5.34 J/cm3，远优于现有的聚合物及其复合电介质薄膜（图3）。
图4|聚合物电介质的内部温度，循环稳定性和自愈性
该研究是电气工程、化学、材料、工程热物理等多学科的深度交叉融合。本文通过实验验证，共聚物薄膜的高热导率允许有效的焦耳热耗散，因此在高温和高电场下具有优异的循环稳定性。共聚物的击穿自修复能力的证明进一步表明了梯形结构对于在极端条件下工作的高能量密度聚合物电容器的前景。
