他，国家优青、武汉理工大学90后研究员，联手清华大学南策文院士，新发Nature子刊！

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聚合物基介电材料作为静电电容器的储能介质具有巨大潜力，然而聚合物热阻较低，导致其在高温下的电介质储能能力严重下降，限制了其在恶劣环境中的应用。

2024年8月6日，清华大学南策文院士、伍伦贡大学张树君教授、武汉理工大学张鑫研究员团队合作在Nature Communications期刊发表题为“High-temperature capacitive energy stroage in polymer nanocomposites through nanoconfinement”的研究论文，武汉理工大学博士研究生李昕蕙为论文第一作者，张鑫研究员、张树君教授、南策文院士为论文共同通讯作者。

张鑫，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室/材料国际化示范学院研究员，国家优秀青年基金获得者（2022），专注于高储能密度复合电介质材料、柔性可穿戴传感材料与器件等研究；2012年本科毕业于中南大学化学教改实验班/资源生物学院；2017年博士毕业于清华大学材料学院；2017年7月加入武汉理工大学。

该研究提出了一种柔性层状聚合物纳米复合材料，其中的聚合物成分被限制在纳米尺度，从而提高了纳米复合材料的热-机械-电稳定性。这种纳米层状材料由夹在固体Al2O3层之间的纳米约束聚醚酰亚胺（PEI）聚合物组成，在200°C高温条件下，能量密度高达18.9 J/cm3，能量效率高达91%。研究表明，PEI聚合物的纳米约束导致扩散系数降低和热动力学受限，导致玻璃化转变温度比块体PEI聚合物显著提高37°C。纳米层状材料内的纳米约束和界面捕获的综合效应协同提高了电击穿强度，并在高达250°C的温度范围内增强了储能性能。通过在细金属线等弯曲表面上使用柔性超薄纳米层状材料，研究人员提出了一个创新概念，即能够制造出高效、紧凑的金属线电容器，尽管器件体积很小，却能够获得可观电容。

该研究展示了柔性层状聚合物/陶瓷纳米复合材料的开发，其中的聚合物成分被限制在纳米级。这种方法提高了聚合物的热稳定性，从而改善了纳米层状材料在高温下的储能性能。该策略适用于常规的聚合物/陶瓷复合材料，包括PEI和Al2O3等容易获得、成本效益高且工业上可靠的材料。研究人员通过将柔性PEI超薄聚合物薄膜限制在Al2O3层之间，制备了柔性层状纳米复合材料。通过分子动力学模拟和基于改性探针的原位测量证明，PEI的热动力学在Al2O3表面附近发生了变化，从而提高了其热稳定性，同时改善了高温机械强度和电绝缘性。值得注意的是，与本体PEI聚合物相比，10nm厚的纳米约束PEI超薄薄膜的Tg提高了~37℃。PEI超薄薄膜增强的热-机械-电稳定性显著提高了PEI-Al2O3纳米层压材料在高温下的击穿强度。特别是通过利用多个界面制备PEI-Al2O3多层纳米层状材料，可进一步提高热电稳定性和击穿强度。因此，柔性PEI-Al2O3纳米层状材料具有很高的Ue值，在150°C时为24.0 J/cm3，在200°C时为18.9 J/cm3，甚至在250°C时为3.9 J/cm3。尤其重要的是，在25℃~250℃的整个温度范围内，都能保持大于90%的高能效。

图1. Al2O3润湿纳米约束PEI聚合物的分子热动力学和性能

图2. 多层纳米层状材料的结构和电性能

图3. 多层纳米层状材料的储能性能和循环性能

图4. 纳米层状材料柔韧性和金属线基电容器装置的评估

总之，该研究强调了多层聚合物纳米层状材料结合纳米约束聚合物超薄薄膜在高温介电储能应用中的潜力。高柔性Al2O3-PEI纳米层状材料包含10nm厚的纳米约束PEI超薄薄膜，在150°C时可产生24.0 J/cm3的高Ue，在200 °C时可产生18.9 J/cm3的Ue，在250°C时可产生3.9 J/cm3的Ue，同时在整个温度范围内保持大于90%的高能效，在不同温度下具有高达106的出色充放电可靠性。虽然目前使用交替旋涂和ALD工艺大规模生产纳米层状材料可能具有挑战性，但多层纳米层状材料中纳米约束和界面的协同效应提供了一种有前途的策略，可用于开发具有优异高温稳定性的高性能聚合物陶瓷复合材料系统，同时保持卓越的柔韧性和性能。

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