介電材料在用於控制和存儲電荷和電能的電子電氣設備和系統中發揮著重要作用，廣泛的用於混合動力汽車、電力網絡以及脈衝功率系統等，以提高它們的功率因子。相比如無機電介質，聚合物電介質具有低的介電損耗、低成本的卷對卷製造工藝、高的擊穿場強和穩定的失效模式，從而確保了在高電場下工作時具有高的可靠性。然而聚合物電介質熱穩定性差，無法在高溫環境下穩定工作。尤其在高電場作用下，溫度升高會導致聚合物電介質內部洩漏電流呈指數上升趨勢，造成充放電效率及儲能密度急劇下降，無法滿足應用需求。更嚴重的是，洩漏電流轉變成焦耳熱，使電容器溫度持續上升，最終損壞。
儘管雙向拉伸聚丙烯BOPP的介電常數低(K=2.2)，但高的擊穿場強（~700MV/m）和低的損耗使其成為應用最為廣泛的商用聚合物薄膜電介質。然而，BOPP低的操作溫度（<80 ℃）使其在高溫環境中使用時需要裝配額外的冷卻系統以降低環境溫度至其安全工作溫度。冷卻系統的存在增加了動力系統的質量和體積，降低了能量使用效率，增加了成本。
為了滿足現在現代電子電力設備和系統日益增長的集成化、小型化的需求，一方面亟需提高聚合物電介質的能量密度，同時保持低的損耗，以保證不需增加設備體積的情況下實現高密度能量的存取和傳遞。另一方面需要提高聚合物電容器的操作溫度以去除外部冷卻系統的使用。長期以來，國內外學者主要通過納米摻雜來提升聚合物電介質的能量密度和高溫介電儲能性能，但目前無法實現規模化製備及應用。
近期，美國賓夕法尼亞州立大學章啟明教授實驗室在國際頂級期刊《Science Advances》報道了一種可以低成本批量製備具有耐高溫、優異電容性能的介電超材料的新型納米複合方法。不同於需要添加15%體積分數以上高介電填料（K>1000）的傳統納米複合策略，該新型納米複合策略僅需在高玻璃化轉變溫度（Tg>250 ℃）半晶型聚合物PEEU中複合極低添加量20 nm 氧化鋁顆粒，便實現了PEEU能量密度、充放電效率、擊穿場強的大幅度提升。
充放電效率和能量密度
0.2% 體積分數的氧化鋁納米顆粒使PEEU在很寬溫度範圍內（>150 ℃）的介電常數和擊穿場強均得到了提升。介電常數從4.7提高到了7.4，150℃下的擊穿場強從400 MV/m 提高到了600 MV/m，而且極低添加量納米氧化鋁顆粒的存在降低了高場下的導電損耗。因此， PEEU薄膜在150 ℃高溫下展現出了高達5 J/cm3的放電能量密度，並保持了高於90%的充放電效率。
局部結構改變
實驗結果表明，介電性能的提升來源於低添加量的納米氧化鋁顆粒誘導了PEEU局部結構的改變，降低了玻璃態下偶極子運動能力的限制，降低了移動電荷的平均自由程，提高了深陷阱能級。
儲能密度對比
Tian Zhang和Xin Chen是該論文的共同第一作者，Q. M. Zhang是通訊作者，其他共同作者有：Yash Thakur,Biao Lu,Qiyan Zhang和J. Runt.
原文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/4/eaax6622
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