研究背景

随着电子设备持续向微型化发展的趋势以及随之而来的功率密度提升，对介电聚合物薄膜的运行要求已超越常规的室温条件。因此，耐高温薄膜电容器已成为电介质材料领域的重要研究方向。聚醚酰亚胺（PEI）分子结构主链中含有刚性芳香族基团，赋予其卓越的耐高温特性。尽管该材料具有较高的玻璃化转变温度（），但PEI分子结构中刚性芳环的存在会引发显著的共轭效应。这种电子离域现象导致高温条件下能量损耗呈指数级增长，最终引发严重的热量积聚与效率（）下降。本研究通过相对环保的水热反应法成功制备了宽带隙氮化硼纳米点（BNNDs）。随后将BNNDs策略性地引入到PEI中，显著提升了PEI的静电储能性能。实验表征与理论模型均证实，BNNDs与PEI分子链之间强烈的-相互作用使BNNDs能够有效插层于PEI分子链间。因此，BNNDs的引入使PEI复合薄膜的链间距从1.58 Å增大至1.74 Å。此外，BNNDs的宽带隙（5.51 eV）在PEI薄膜中形成了深电荷陷阱，这显著抑制了极端工作条件下的电荷传输。复合膜在150 ºC时的击穿强度（）提升至574.0 MV m^-1，同时能量损耗显著降低，实现了7.90 J cm^-3的和79%的。当温度升至200 ºC时，该复合膜仍保持549.4 MV m^-1的，获得了6.49 J cm^-3的和65%的。此外，PEI复合薄膜展现出本征自修复特性，在200 ºC和500 MV m^-1条件下表现出卓越的电击穿恢复能力，并保持较高的（击穿后为4.24 J cm^-3 vs. 击穿前为4.88 J cm^-3）。这项研究的新颖之处在于，BNNDs通过嵌入PEI分子链来抑制能量损耗，为极端工况下的先进储能应用提供了有益借鉴。

图文展示

图1. BNNDs引入PEI的机理分析。（a）BNNDs在PEI复合薄膜中的电荷捕获效应；(b) 通过DFT计算获得的PEI和BNNDs的能带结构；PEI与BNNDs相互作用的可视化图示。(c) PEI-PEI相互作用；(d) BNNDs-PEI相互作用；(e, f) RDG分析。

图2. PEI复合薄膜与BNNDs的形貌结构及机理分析。（a）BNNDs的TEM图像；（b）BNNDs的AFM图像；（c）BNNDs的B1s高分辨精细谱；（d）0.3 B薄膜的C1s高分辨精细谱；（e）0.3B薄膜表面AFM图像；（f）PEI薄膜中BNNDs的TEM图像；（g）PEI复合薄膜的XRD曲线；（h）BNNDs引起PEI分子间距增大的机理示意图。

图3. PEI复合薄膜的分子动力学计算。（a）PEI薄膜模型；（b）0.3 B薄膜模型；（c）复合薄膜的自由体积与占据体积分析；（d）复合薄膜的自由体积分数与密度分析。

图4. （a）PEI复合薄膜的变温介电谱。PEI复合薄膜的电绝缘性能：(b) 不同温度下PEI复合薄膜的分析；（c） 0.5 s时复合薄膜的击穿路径；（d） 室温下375 nm激发波长下PEI与0.3 B薄膜的PL光谱；（e） BNNDs抑制PEI分子链间电荷转移的机理示意图；（f） PEI与0.3 B薄膜的电子活化能；（g） 高温下不同理论模型的拟合；（h） PEI与0.3 B薄膜的TSDC曲线拟合；（i） 复合薄膜内部能带示意图。

图5. PEI复合薄膜的高温储能行为。PEI复合薄膜在（a）150 ºC和(b)200 ºC时的与；（c）150 ºC和（d）200 ºC下PEI复合薄膜的能量损耗分析；（e）0.3B薄膜在200 ºC和250 MV m^-1下的循环稳定性；（f）0.3 B薄膜在200 ºC和250 MV m^-1下储能性能的频率依赖性；（g）0.3 B薄膜在不同区域的高温储能行为；（h）PEI与0.3 B薄膜在200 ºC和250 MV m^-1条件下的充放电行为；（i）PEI与0.3 B薄膜在200 ºC时电容器稳态温度分布的模拟结果。

图6. PEI复合薄膜的自修复能力分析与性能比较。（a）聚合物薄膜击穿及自修复行为；（b）薄膜击穿前后的储能行为；（c）PEI与0.3 B薄膜性能对比；（d）击穿后薄膜能谱扫描；（e）本工作性能与已报道200 ºC下PEI复合薄膜性能对比。

本工作以“Wide Band Gap Boron Nitride Nanodots-Incorporated Polyetherimide Dielectrics for High-Temperature Dielectric Energy Storage”为题发表在中科院一区期刊《Advanced Science》(IF:14.1)上。论文的第一作者为西南交通大学2024级博士生胡文金，通讯作者为西南交通大学化学学院杨静晖副教授和王勇教授。