2018年10月3日，清華大學(xué)電機(jī)系李琦副教授、何金良教授及合作者在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）雜志上發(fā)表了題為《一種顯著提高聚合物電介質(zhì)高溫儲(chǔ)能特性的通用化、高通量、環(huán)境友好的制備方法》（A Scalable, High-Throughput and Environmentally Benign Approach to Polymer Dielectrics Exhibiting Significantly Improved Capacitive Performance at High Temperatures）的研究論文（DOI: 10.1002/adma.201805672）。該論文提出了一種可規(guī)模化的高溫聚合物電容器薄膜制備方法，可大幅提高聚合物電容器薄膜在高溫下的介電儲(chǔ)能特性，有望與現(xiàn)有聚合物電容器薄膜制備生產(chǎn)線相結(jié)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，解決電容器在電力電子、航空航天和電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)中面臨的過(guò)熱損壞難題。

電介質(zhì)電容器具有極快的充放電效率和超高的功率密度，是一類極其重要的功率型儲(chǔ)能器件，在電網(wǎng)調(diào)頻、電磁武器、電力電子變換器、新能源汽車以及脈沖功率系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而以聚合物電介質(zhì)材料為主體的薄膜電容器熱穩(wěn)定性差，無(wú)法在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。尤其在高電場(chǎng)作用下，溫度升高會(huì)導(dǎo)致聚合物電介質(zhì)內(nèi)部泄漏電流呈指數(shù)上升趨勢(shì)，造成充放電效率及儲(chǔ)能密度急劇下降，無(wú)法滿足應(yīng)用需求。更嚴(yán)重的是，泄漏電流轉(zhuǎn)變成焦耳熱，使電容器溫度持續(xù)上升，最終損壞。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)納米摻雜來(lái)提升電容薄膜的高溫介電儲(chǔ)能性能，但目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備及應(yīng)用。工業(yè)界的解決方法是引入冷卻系統(tǒng)將工作環(huán)境溫度降至電介質(zhì)材料最高使用溫度以下。例如，豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)使用冷卻系統(tǒng)將環(huán)境溫度從120-140 ºC降至70-80 ºC。然而，冷卻系統(tǒng)的存在無(wú)疑會(huì)增加動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，降低燃料使用效率。

用于高溫電容器聚合物電介質(zhì)薄膜規(guī)模化處理的工藝方法示意圖

為解決上述問(wèn)題，該課題組提出采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在聚合物薄膜表面快速沉積具有寬能帶隙的納米絕緣層，以提高電極/介質(zhì)界面處的電荷注入勢(shì)壘，從而抑制聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫下的泄漏電流，大幅提高了聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫、高電場(chǎng)下的儲(chǔ)能特性。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在大氣壓條件下快速沉積，具備連續(xù)處理的能力；其室溫沉積特性使得該方法直接適用于任意聚合物介質(zhì)薄膜。通過(guò)引入卷對(duì)卷薄膜加工技術(shù)和動(dòng)態(tài)沉積，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、連續(xù)化生產(chǎn)。該方法具有無(wú)污染、簡(jiǎn)便、高效、低成本等特點(diǎn)，并且可與現(xiàn)有聚合物電容器薄膜生產(chǎn)線相兼容。目前課題組已在該技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)內(nèi)專利和PCT專利，并正與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。

薄膜沉積區(qū)照片、電介質(zhì)薄膜表面納米絕緣層斷面掃描電鏡圖和薄膜高溫介電儲(chǔ)能特性

近年來(lái)，何金良教授牽頭在清華大學(xué)電機(jī)系建立了能源材料與裝備研究中心，致力于通過(guò)基礎(chǔ)材料突破帶動(dòng)電力能源系統(tǒng)裝備的跨越式發(fā)展。該中心近年引進(jìn)的青千學(xué)者李琦副教授，專注于先進(jìn)電介質(zhì)材料的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工方法等領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然》（Nature）、《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）、《材料研究年度評(píng)述》（Annual Review of Materials Research）等期刊上。此次報(bào)道的這項(xiàng)工作是薄膜電容器領(lǐng)域的一項(xiàng)具有里程碑意義的工作，實(shí)現(xiàn)了納米改性電容器介質(zhì)薄膜的規(guī)模化制備，并將電容器性能提升一個(gè)新臺(tái)階。

《先進(jìn)材料》是材料科學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊，2017年影響因子為21.95。該論文第一作者為清華大學(xué)電機(jī)系2014級(jí)博士生周垚，通訊作者為電機(jī)系李琦副教授、何金良教授以及美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)王慶教授，合作者還包括清華大學(xué)電機(jī)系曾嶸教授、胡軍副教授及中科院電工研究所邵濤教授。該研究成果得到了國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目和北京市自然基金的支持。