金属化薄膜电容器由于充放电速度快，功率密度高等优点在微电子、生物医疗、混合动力汽车、大功率换能器、高压输电系统等领域得到广泛应用。双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜因其卓越的击穿电场（~700 MV/m）、超低介电损耗（10⁻⁴至10⁻³）、优异的加工性、自愈能力以及低成本，而被商业电容器广泛应用。但是BOPP薄膜较低的储能密度和耐温性能限制了电子器件集成化、微型化的发展趋势。因此，迫切需要开发兼具高储能密度和卓越耐温性能的聚合物电介质材料。
近日西安交通大学化学学院张志成教授团队提出了一种通过在熔融挤出造粒过程中物理引入极性缺电子的8-羟基喹啉（8-HQ）来改性聚丙烯（PP）介电储能性能的新策略。缺电子的8-HQ分子最初设计用于捕获在高电场下注入的电荷，抑制漏电流密度。令人意外的是，研究发现它们可以在PP晶粒的边界处聚集，诱导PP晶粒的生长，从而增强了PP薄膜的机械强度，这两种效应共同促使了PP/8-HQ的高击穿场强。此外8-HQ中极性基团的引入可以提高PP/8-HQ的介电常数。击穿场强和介电常数的协同提高，最终实现储能性能的综合提升。
室温环境下，PP/8-HQ薄膜的放电能量密度为9.87 J/cm³，放电效率超过90%。即使在125oC时，PP/8-HQ薄膜的放电能量密度仍可保持在6.96 J/cm³，并具有83%的放电效率和优异的循环稳定性。该工作首次通过偏光显微镜和荧光显微镜联用观察和证明了8-HQ对PP结晶行为的影响过程和机理，8-HQ与PP分子链之间的弱相互作用增强了PP链段的运动能力，促使其有序排列，从而诱导晶粒尺寸增大。此外，8-HQ分子在退火过程中被均匀地驱逐到晶界处，改善了其在PP基体中的分散性。这项工作通过物理调控PP的结晶行为并显著改善其介电储能性能和耐温性能，为高储能低损耗聚合物电介质的设计制备提供了新策略。
该研究成果以“通过极性有机分子物理调控聚丙烯薄膜的介电常数和结晶行为助力聚丙烯薄膜高储能性能”（Significantly Enhancing the Energy-Storage Properties of Polypropylene Films by Physically Manipulating Their Permittivity and Crystalline Behavior with Polar Organic Molecules）为题发表在《先进功能材料》 （Advanced Functional Materials）上。本文得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。西安交通大学张志成教授、张美荣助理教授为论文的通讯作者，西安交通大学硕士研究生马东为论文第一作者。
张志成，西安交通大学化学学院教授，博士生导师。主要研究领域包括新型氟聚合物的设计与可控合成，新型电介质的分子设计与偶极调控，电活性高分子及其在高储能电容器、压电传感器等领域的应用等。
张美荣，西安交通大学化学学院助理教授。主要研究方向为高储能低损耗聚合物电介质的设计合成、及其介电储能性能研究。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202418631
课题组链接：http://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang
