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在新能源汽車(chē)、脈沖功率系統(tǒng)等領(lǐng)域，聚合物薄膜電容器憑借超高功率密度與快速充放電能力，成為關(guān)鍵儲(chǔ)能部件。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)，商用聚合物材料始終面臨性能瓶頸,雙向拉伸聚丙烯（BOPP）雖應(yīng)用廣泛，介電常數(shù)僅約2.2，擊穿強(qiáng)度不足600 MV/m，儲(chǔ)能密度受限；芳香族聚合物如聚酰亞胺、聚碳酸酯雖具備高絕緣性，但強(qiáng)π-π堆疊效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高電場(chǎng)下電導(dǎo)損耗劇增，同樣難以滿足高性能需求。開(kāi)發(fā)兼具高儲(chǔ)能密度、高充放電效率與優(yōu)異穩(wěn)定性的聚合物電介質(zhì)材料，成為全球儲(chǔ)能領(lǐng)域亟待突破的難題。

針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，西安交通大學(xué)婁曉杰教授課題組創(chuàng)新提出空間位阻調(diào)控策略，通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打破性能桎梏。團(tuán)隊(duì)選擇金剛烷功能化降冰片烯（NBAd）與芳香側(cè)鏈降冰片烯（PNB2APS）進(jìn)行共聚，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，成功制備出 P (NB2APS-co-NBAd0.05) 新型聚合物材料。

a) 設(shè)計(jì)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200MV/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。

這一設(shè)計(jì)的核心突破在于首次將位阻抑制機(jī)制應(yīng)用于聚合物儲(chǔ)能領(lǐng)域：金剛烷基團(tuán)的引入，使芳香側(cè)鏈間距從6.8?擴(kuò)大至7.4?，有效削弱了π-π堆疊效應(yīng)，同時(shí)提升了材料自由體積分?jǐn)?shù)，為擊穿強(qiáng)度提升奠定關(guān)鍵基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該新型材料展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料的綜合性能。在擊穿強(qiáng)度方面，P (NB2APS-co-NBAd0.05)達(dá)到865 MV/m，較基體材料提升42%，大幅降低高電場(chǎng)下?lián)舸┦эL(fēng)險(xiǎn)；儲(chǔ)能密度更是實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，在1000 MV/m超高電場(chǎng)下，放電能量密度（Ud）達(dá)到23.5J/cm3，是商用BOPP材料的4.12倍，即便在800 MV/m電場(chǎng)下，Ud仍保持15 J/cm3，且儲(chǔ)能效率（η）超90%，兼顧高儲(chǔ)能與低損耗。

更值得關(guān)注的是其卓越的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次充放電循環(huán)后，材料的放電能量密度與儲(chǔ)能效率均未出現(xiàn)明顯衰減，且具備獨(dú)特的擊穿自修復(fù)能力——通過(guò)將(C+N+S)/(O+H)原子比控制在1.07的低水平，材料擊穿后產(chǎn)生的碳化區(qū)域可自動(dòng)與電極隔離，避免故障擴(kuò)大，極大延長(zhǎng)使用壽命。

在與近期其他新合成聚合物材料的對(duì)比中，P (NB2APS-co-NBAd0.05)的優(yōu)勢(shì)同樣顯著。從最大放電能量密度與擊穿強(qiáng)度的綜合性能來(lái)看，該材料在已報(bào)道的同類研究中處于領(lǐng)先水平，尤其在高電場(chǎng)穩(wěn)定性與循環(huán)壽命上，展現(xiàn)出不可替代的競(jìng)爭(zhēng)力。

這一成果不僅為高性能電容儲(chǔ)能聚合物材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了全新思路——通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控分子空間結(jié)構(gòu)解決性能矛盾，更打破了“高儲(chǔ)能密度必然伴隨高損耗”的行業(yè)認(rèn)知，為聚合物電容器向更高功率、更長(zhǎng)效、更可靠方向發(fā)展提供了可行路徑。

據(jù)悉，該研究成果以《通過(guò)削弱新型聚降冰片烯中的π-π堆疊效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超高電容儲(chǔ)能》為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials），西安交通大學(xué)前沿科學(xué)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。