清华大学介电储能材料研究取得重要进展

2018年10月3日，清华大学电机系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了题为《一种显著提高聚合物电介质高温储能特性的通用化、高通量、环境友好的制备方法》（A Scalable, High-Throughput and Environmentally Benign Approach to Polymer Dielectrics Exhibiting Significantly Improved Capacitive Performance at High Temperatures）的研究论文（DOI: 10.1002/adma.201805672）。该论文提出了一种可规模化的高温聚合物电容器薄膜制备方法，可大幅提高聚合物电容器薄膜在高温下的介电储能特性，有望与现有聚合物电容器薄膜制备生产线相结合实现产业化，解决电容器在电力电子、航空航天和电动汽车电控系统中面临的过热损坏难题。

电介质电容器具有极快的充放电效率和超高的功率密度，是一类极其重要的功率型储能器件，在电网调频、电磁武器、电力电子变换器、新能源汽车以及脉冲功率系统中发挥着关键作用。然而以聚合物电介质材料为主体的薄膜电容器热稳定性差，无法在高温环境下稳定工作。尤其在高电场作用下，温度升高会导致聚合物电介质内部泄漏电流呈指数上升趋势，造成充放电效率及储能密度急剧下降，无法满足应用需求。更严重的是，泄漏电流转变成焦耳热，使电容器温度持续上升，最终损坏。长期以来，国内外学者主要通过纳米掺杂来提升电容薄膜的高温介电储能性能，但目前无法实现规模化制备及应用。工业界的解决方法是引入冷却系统将工作环境温度降至电介质材料最高使用温度以下。例如，丰田普锐斯混合动力汽车电控系统使用冷却系统将环境温度从120-140 ºC降至70-80 ºC。然而，冷却系统的存在无疑会增加动力系统的质量和体积，降低燃料使用效率。

用于高温电容器聚合物电介质薄膜规模化处理的工艺方法示意图

为解决上述问题，该课题组提出采用等离子体增强化学气相沉积技术在聚合物薄膜表面快速沉积具有宽能带隙的纳米绝缘层，以提高电极/介质界面处的电荷注入势垒，从而抑制聚合物电介质薄膜在高温下的泄漏电流，大幅提高了聚合物电介质薄膜在高温、高电场下的储能特性。该方法能够实现在大气压条件下快速沉积，具备连续处理的能力；其室温沉积特性使得该方法直接适用于任意聚合物介质薄膜。通过引入卷对卷薄膜加工技术和动态沉积，可实现规模化、连续化生产。该方法具有无污染、简便、高效、低成本等特点，并且可与现有聚合物电容器薄膜生产线相兼容。目前课题组已在该技术领域申请多项国内专利和PCT专利，并正与相关企业联合进行产业化开发。

薄膜沉积区照片、电介质薄膜表面纳米绝缘层断面扫描电镜图和薄膜高温介电储能特性

近年来，何金良教授牵头在清华大学电机系建立了能源材料与装备研究中心，致力于通过基础材料突破带动电力能源系统装备的跨越式发展。该中心近年引进的青千学者李琦副教授，专注于先进电介质材料的基础研究和产业化开发，在材料结构设计和加工方法等领域取得了多项重要成果。相关工作发表在《自然》（Nature）、《美国科学院院刊》（PNAS）、《先进材料》（Advanced Materials）、《材料研究年度评述》（Annual Review of Materials Research）等期刊上。此次报道的这项工作是薄膜电容器领域的一项具有里程碑意义的工作，实现了纳米改性电容器介质薄膜的规模化制备，并将电容器性能提升一个新台阶。

《先进材料》是材料科学领域的顶级期刊，2017年影响因子为21.95。该论文第一作者为清华大学电机系2014级博士生周垚，通讯作者为电机系李琦副教授、何金良教授以及美国宾夕法尼亚州立大学王庆教授，合作者还包括清华大学电机系曾嵘教授、胡军副教授及中科院电工研究所邵涛教授。该研究成果得到了国家自然基金面上项目和北京市自然基金的支持。