李琦、何金良：首次研制成功200摄氏度高效介电储能薄膜

tinengyue

8月6日，电机系李琦副教授、何金良教授等在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上发表了题为“基于聚合物-分子半导体全有机复合材料的高温电容薄膜”（Polymer/molecular semiconductor all-organic composites for high-temperature dielectric energy storage）的研究论文，首次研制出200摄氏度高效介电储能的全有机复合薄膜。这类全有机复合介电材料在200摄氏度高温条件下的介电储能性能不仅远超过目前最好的高温聚合物及聚合物纳米复合介电材料，并接近商业化聚合物电容薄膜室温下性能；在大幅提升高温介电储能特性的同时还实现了大面积、性能均匀的薄膜制备，为实现薄膜电容器在200摄氏度严酷温度环境下应用提供了可能。
       聚合物薄膜电容器具有介电强度高、能量损耗低以及自愈性好等优点，在全球工业电容器市场占有率超过其它类型电容产品。然而，聚合物介电材料的绝缘性能对温度极其敏感，在高温、高电场作用下泄漏电流呈指数上升、放电效率急剧下降，最终造成电容器过热损坏。目前主流商业薄膜电容器仅在105摄氏度以下工作，长期工作温度低于70摄氏度。另一方面，随着电子器件和电力、能源设备功率不断增大以及对小型化和紧凑型功率模块的持续追求，电子材料的工作温度要求快速提高，薄膜电容器介电材料已成为高温电子器件和设备的技术瓶颈。

a：聚合物-分子半导体复合体系能级与电荷转移示意图  b：分子半导体静电势分布  c： 电极/聚合物界面表面电势分布

       该论文采用了一种与前期方法截然不同的技术路线——利用有机光伏中电子受体材料的强得电子能力，实现了在高温聚合物中构筑深电荷陷阱。这种有机分子半导体型的电子受体材料具有极高的电子亲和能，被广泛应用于有机光伏中激子在异质结界面高效分离。它们可通过其表面静电势分布的极不均匀特性，对自由电子产生强束缚作用。通过向耐热聚合物中掺杂极少量高电子亲和能有机分子半导体制备了全有机复合高温介电材料。这类材料在200摄氏度和200kV/mm电场条件下，电阻率比高温聚合物提升两个数量级以上；200摄氏度、放电效率90%以上的能量密度是目前最好的聚合物高温介电材料的2.3倍。此外，全有机复合体系解决了传统有机-无机复合体系中高表面能粒子分散不均和引入界面缺陷等问题，在薄膜品质和规模化制备等方面具有显著优势。

a：聚合物-分子半导体全有机复合介电薄膜  b：全有机复合介电材料（PEI/DPDI、PEI/PCBM、PEI/ITIC）高温储能特性远优于传统高温介电聚合物（PEI）  c：高温高场下全有机复合介电薄膜长期工作循环性能

       论文第一作者为清华大学电机系博士后袁超，通讯作者为电机系李琦副教授和何金良教授。该研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金和创新研究群体项目的资助。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17760-x

供稿：电机系

编辑：李晨晖

审核：程曦

      文章来源：清华大学

      李琦，清华大学电机系副教授，博士生导师。2013年获武汉理工大学材料学博士学位。2013年3月至2016年11月在美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系进行博士后研究工作。2016获美国材料学会优秀博士后奖（MRS Postdoctoral Award）。2016年12月到清华大学电机系工作。2018年获电气和电子工程师协会孙才新和斯坦·格博斯基青年学者成就奖（IEEE Caixin Sun and Stan Grzybowski Young-professional Achievement Award）。在Nature、Nature Nanotechnology、PNAS、Advanced Materials等国际期刊上发表SCI论文70余篇。多次在重要国际学术会议上作特邀报告。担任IET Nanodielectrics杂志编委、Materials杂志专刊特约编辑。是中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专业委员会委员、北京市电机工程学会高电压与绝缘技术专业委员会委员，是电气和电子工程师协会高级会员，也是美国材料学会会员。

        何金良教授于1994年3月在清华大学电机系获博士学位，现为电机系高电压与绝缘技术研究所所长，2004年获国家杰出青年基金，2007年当选为IEEEFellow，2009年被评为教育部长江学者特聘教授，2010年因在雷电防护和接地系统暂态特性方面做出的杰出成就获IEEE电磁兼容学会技术成就奖，2012年获亚太电磁兼容学会奖。何金良教授还是全国雷电防护标准化技术委员会主任，北京电机工程学会高压专委会主任，IEC TC81中国代表，IEEE Transactions on Power Delivery及Journal of Lightning Research副主编，另外也是IEEE、CIGRE、IEC等国际组织的多个技术委员会委员。

kwcha333

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