北京
近日，華北電力大學能源電力創新研究院楊旻昊依托國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目/面上基金和2030智能電網國家科技重大專項，以第一/通訊作者在國際頂級期刊《Nature Communications》和《Energy & Environmental Science》分別在線發表了題為《Surface energy-driven perpendicular gradient structure in flexible composite dielectrics for high-temperature capacitive energy storage》和《Superior high-temperature electrostatic energy storage in flexible dielectric film enabled by metal-coordination crosslinked network》的重要研究論文，合作者包括清華大學電機系黨智敏教授、北京化工大學彈性體中心張立群院士團隊劉軍教授和華東師范大學田博博教授等。
圖1 研究成果
以儲能電介質為代表的電工絕緣材料是新能源高壓換流裝備的核心物理載體，直接影響著電能安全高效變換。目前，儲能電介質薄膜面臨“介電常數-絕緣強度”和“熱穩定性-絕緣強度”雙重強耦合倒置關系，高介電常數、高絕緣強度和強耐熱特性難以兼得，造成介質薄膜放電能量密度不足；同時，儲能電介質傳統交聯結構設計策略面臨“非活性交聯位點”和“不可逆共價網絡”等問題，難以有效限制載流子遷移，并造成介質薄膜難以回收利用，嚴重制約著高儲能、高可靠和環保型絕緣介質及電工裝備的研發和應用。
基于上述問題，本研究報道一種具有垂直梯度分布結構的儲能電介質，通過構筑硅-氧-鈦（Si-O-Ti）無機雜化交聯網絡，利用氧化物間表面能差異，驅動垂直梯度結構的構筑。富集于薄膜表層的二氧化硅抑制電荷注入，而分布在基體內的二氧化鈦則提升介電常數。同時，Si-O-Ti雜化交聯網絡可限制聚合物分子鏈運動并降低自由體積，進而改善薄膜熱穩定性、力學模量和絕緣強度。最終，該薄膜在200℃下放電能量密度可達6.04 J/cm3，充放電效率維持90%以上。
圖2 梯度分布交聯型儲能電介質
其次，本研究報道一種基于金屬離子作為活性交聯位點的配位交聯儲能電介質，金屬離子具有優異的電子親和能，可作為深陷阱有效捕獲高能載流子。同時，致密交聯網絡能夠降低體系自由體積、提升材料力學強度并改善薄膜熱穩定性和絕緣性能。在200 °C下，介質薄膜放電能量密度可達4.68 J/cm3，充放電效率維持在90%以上。此外，該配位網絡可在酸性條件下發生動態解離與重構，實現了交聯型儲能電介質的回收再利用。
圖3 金屬配位交聯型儲能電介質
楊旻昊研究團隊圍繞能源電力領域前沿科學與戰略需求，長期聚焦于高壓電工裝備用電工絕緣材料與儲能電介質國產化與高性能化研究，尤其關注高溫、高頻和強電場耦合工況下聚合物絕緣介質構效演變復雜、結構優化失效與性能提升受限等重大基礎和應用研究問題。近年來，團隊以華北電力大學為第一/通訊單位在國際頂級期刊《Nature Communications》《Progress in Materials Science》《Energy & Environmental Science》（4篇）《Advanced Materials》和《Advanced Energy Materials》等發表了10余篇高水平學術成果。
內容來源：華北電力大學網站
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