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在极端高温和电场条件下工作的超高功率密度金属化薄膜电容器是电气和电子系统中的关键组件。系统的小型化、集成化和成本效益要求介电材料兼具高能量密度、高效率和可靠性。当前的主要挑战在于同时解决多个矛盾关系：带隙（贰驳）与玻璃化转变温度（罢驳）、介电常数（ε谤）与贰驳，以及自修复能力与罢驳之间的权衡。

据此，清华大学南策文教授、沈洋教授团队开发了一类半脂环族偶极玻璃介电聚合物（sAl-DG），其分子链由交替的非共轭脂环单元和强偶极芳香单元组成。脂环单元协同赋予材料大Eg和强自修复潜力，而芳香单元则同时提供高极化和热稳定性，从而有效解耦上述多重矛盾。结果表明，sAl-DG表现出优异的性能：Eg为3.99–4.26 eV，Tg为218–387 °C，εr在200 °C和1 kHz下为3.39–3.71，同时具备卓越的自修复能力（自修复能量为15.03 mJ）。这种分子解耦策略使sAl-DG在200 °C下实现了高达6.2 J cm??的放电能量密度（Uη90），并在250 °C下达到目前最先进的3.94 J cm??。此外，基于sAl-DG的堆叠电容器在250 MV m??和200 °C条件下展示了1.06 J cm??的能量密度和94%的效率，证明了其实际应用的可行性。

2025年7月30日，相关研究在Advanced Materials期刊发表题为 “ Semi-Alicyclic Dipolar Glass Dielectric Polymer Capacitors for Superior High-Temperature Capacitive Energy Storage ” 研究论文，团队成员任伟斌博士为第一作者，沈洋教授为通讯作者。

金属化薄膜电容器是现代复杂电气和电子系统中的关键组件，具有超高功率密度（10? W kg??）、高电压工作能力（>1000 V）、安全失效模式以及宽工作温度范围等特点。在高温（>150 °C）苛刻环境（如电动汽车逆变器、航空航天电源调节和井下油气勘探）中应用的电容性能储能器件，需要兼具高能量密度、高效率和可靠性的高温介电聚合物。对于线性介电聚合物，高放电能量密度（Ud）可通过协同提高击穿电场强度（Eb）和介电常数（εr）实现，其关系式为Ud = 1/2( ε? ε? Eb?)，其中ε?为真空介电常数。高充放电效率（η）则需通过抑制介电和传导损耗实现。自修复或自清除能力是金属化电容器在介电击穿过程中释放能量清除缺陷区域并恢复电容的特性，是评估其可靠性的关键指标之一。成功的自修复不仅依赖于适当的金属化电阻率，还与聚合物的化学组成密切相关。尽管通过金属化技术（如分段电极、减小电极厚度）可在不依赖聚合物本征性质的情况下实现自修复能力，但通过介电聚合物的化学设计是实现这一功能的更高效途径。研究表明，聚合物分子式中S?（C+N+S)/(O+H）的比值（S?）越低，自修复能力（C??）越强。因此，高温、高能量密度、高效率和可靠介电聚合物的长期瓶颈在于如何同时解决Eg与Tg、εr与Eg以及C??与Tg之间的多重矛盾。传统高温聚合物以芳香基团为主链，通过π-π堆叠形成共轭平面结构，虽然提高了Tg，但共轭作用会降低Eg，导致Eg-Tg矛盾。此外，这些高Tg芳香聚合物的S?较高，削弱了C??，形成C??-Tg矛盾。同时，其εr主要由电子极化主导，共轭作用增强了电子极化，但降低了Eg，从而引发εr-Eg矛盾。

目前最先进的介电聚合物双向拉伸聚丙烯（BOPP）的最高工作温度仅限于105°C，尽管其具有先天优势（如低成本、易加工性、高击穿强度以及超低S?值0.5带来的强自修复能力），但仍无法满足极端条件下的需求。为提升工作温度，研究人员开发了高Tg工程芳香聚合物（Ar），例如聚醚醚酮（PEEK，Tg≈150°C）、聚醚酰亚胺（PEI，Tg≈217°C）、芴聚酯（FPE，Tg≈330°C）和Kapton PI（Tg≈360°C）。然而，由于π-π堆叠相互作用或分子内/间电荷转移（CT）相互作用导致的固有共轭效应，Ar在高温下表现出较差的η和较低的Ud。这种特性显著降低了Eg，并在热电场极端条件下大幅促进热载流子的激发、注入和传输，导致电导率急剧上升，进而劣化Eb和η。因此，Ar的η和Ud提升受限于Eg-Tg矛盾。此外，Ar的εr仍然较低，且受εr-Eg矛盾制约。除复合策略（如采用高εr大带隙无机填料、亚纳米线和亚纳米片）外，研究人员通过在Ar中引入具有大偶极矩（μ）的极性基团（如-CN（μ≈4.0 D）、-SO??（μ≈4.5 D）和硫脲单元（μ≈4.9 D））构建芳香偶极玻璃（Ar-DG），可同时实现高Tg和提升的εr，从而获得高Ud。然而，Ar-DG中η和Ud的进一步提升仍受限于Eg-Tg矛盾。为突破这一矛盾，近期研究探索了两种策略：通过大体积单元（如-CF?）调控链间距离，以及构建脂环基主链（如半脂环聚合物sAl和全脂环聚合物Al）。前者主要旨在抑制链间耦合电子共轭，而后者则利用分子内禀方法削弱甚至消除链内和链间耦合电子共轭。通过大量努力，Al-PI可实现Eg高达5.23 eV（同时Tg为242°C）和Eg高达5.01 eV（Tg为280°C）。引入脂环单元的另一协同优势是降低S_h从而增强自修复能力，例如S?为0.97的sAl PSBNP-co-PTNI?.??，以及S?<0.75的Al-PI（接近BOPP的Eg=5.93 eV和S?=0.5）。因此，该策略可协同解决Eg-Tg矛盾和C??-Tg矛盾。

然而，脂环基聚合物的Ud提升仍受限于其相对较低的εr。通过将大偶极矩极性基团与sAl结合构建半脂环偶极玻璃聚合物（sAl-DG），是一种有望协同突破Eg-Tg、εr-Eg和C??-Tg多重矛盾的策略，从而实现高Ud、高η和强自修复能力。目前对sAl-DG的探索仍有限，主要集中在侧链悬挂偶极基团（如-CF?（≈2.3 D）、酯基（1.75 D）、羰基（2.3 D）、三氟乙基（1.4 D）、-SO??（4.5 D）和卤素取代基）的sAl-DG体系。

该工作构建了一类新型sAl-DG，其分子链由交替的非共轭脂环单元和主链强偶极芳香单元（含磺酰基-SO??，μ≈4.5 D）组成。脂环功能单元同时赋予材料宽带隙和潜在强自修复特性，而偶极芳香单元则提供高极化和优异热稳定性。因此，sAl-DG聚合物能有效协同解耦上述多重倒置关系，在单一材料体系中实现高Tg、大Eg、高εr和卓越自修复能力的组合。这使得sAl-DG可集成优异的放电能量密度、超高效率和可靠性。此外，研究人员通过测定自修复能量W??定量表征了sAl-DG的自修复能力，并探索了基于sAl-DG的金属化堆叠薄膜电容器在高温电容储能中的应用。

图1. 半脂环族偶极玻璃高温介电聚合物（sAl-DG）的分子设计。a) sAl-DG的示意图设计，包含交替的非共轭脂环单元和强偶极基团单元。非共轭脂环功能单元同时提供宽带隙和强自修复潜力，而强偶极功能单元则赋予高介电常数和优异热稳定性。b) 本工作中代表性sAl-DG的化学结构。c) sAl-DG打破了典型高温介电聚合物长期存在的三个倒置关系 - Eg-Tg、C??-Tg和εr-Eg，从而同时实现高Eg、高εr和强自修复能力。sAl-DG符合高性能聚合物介电材料的潜在发展方向（三个箭头所指方向）。

图2. 介电性能与电容储能特性。a) Ar、Ar-DG和sAl-DG在1 kHz下的介电常数随温度变化曲线。b) Ar、Ar-DG和sAl-DG在1 kHz下的损耗因子随温度变化曲线。c) 200°C下介电常数和损耗因子随频率变化关系。d) 200°C和g) 250°C下Ar、Ar-DG和sAl-DG特征击穿场强的威布尔分布分析。e) 200°C和h) 250°C下Ar、Ar-DG和sAl-DG放电能量密度与充放电效率随电场强度变化关系。f) 本工作sAl-DG在200°C下的Uη90与Eη90性能，与已报道的具有自修复潜力的高温介电聚合物数据对比；i) 250°C下性能对比。

图3. sAl-DG的可靠性和稳定性。a) 200 °C下不同电场下的老化循环性能。b) 失败与成功自修复特性的示意图。c) 金属铝镀层BOPP薄膜和sAl-DG薄膜的自修复能量（W??）。d) BOPP典型的成功自修复曲线。t??为特征自修复时间，Ipeak为自修复过程中的峰值电流。e) 典型高温介电聚合物（PI、PEI）和sAl-DG的自修复曲线。

图4. 高温sAl-DG金属化多层聚合物薄膜电容器（m-MLPC）的储能性能。a) sAl-DG m-MLPC的构建过程。b) 金属化sAl-DG薄膜。绿色比例尺长度为10 cm。c) sAl-DG m-MLPC的原型。d) m-MLPC横截面区域的SEM图像及相应元素分布。e) m-MLPC在20 °C和200 °C下的电容与频率关系。f) m-MLPC的放电能量密度和充放电效率。

总之，提出了一类用于高温介电储能应用的半脂环族偶极玻璃介电聚合物（蝉础濒-顿骋），其分子链由交替的非共轭脂环单元和强偶极芳香基团组成。脂环单元同时赋予材料宽带隙和强自修复潜力，而偶极芳香单元则提供高极化和优异热稳定性。这种独特组合协同解耦了贰驳、罢驳、ε谤和颁??之间的多重倒置关系，使蝉础濒-顿骋同时具备高罢驳、大贰驳、高ε谤和卓越自修复能力，从而实现了优异的放电能量密度、超高效率和可靠性。此外，基于蝉础濒-顿骋的尘-惭尝笔颁在高温下展示了出色的电容性能储能性能。因此，蝉础濒-顿骋是制备耐极端热电场条件的高性能介电薄膜和电容器的理想候选材料。