近日，杭州电子科技大学电子信息学院智能传感器和微系统教育部工程中心汶飞博士在Journal of Materials Chemistry A (影响因子：11.301)上发表题为 “A high-temperature dielectric polymer Poly(acrylonitrile butadiene styrene) with enhanced energy density and efficiency due to a cyano group”的研究论文(DOI: 10.1039/D0TA03540H)。其中，麻省理工学院张麟博士(Research Scientist)为共同第一作者，通讯作者是伍伦贡大学张树君教授和李丽丽博士。

  作为电力、电气及电子信息系统中最重要的电子元器件之一，薄膜电容器被广泛应用于电路中实现隔直通交、耦合、旁路、滤波、能量转换及控制等功能。与电池、电化学电容器等相比，薄膜电容器具有使用电场强度高、电能释放速度快、功率密度高等特点，尤其适用于需要在短时间内释放出大量电能的放电电容器。高温薄膜电容器已广泛应用于众多领域，例如混合动力汽车，智能电网和脉冲电源中的储能组件。目前，商用双向拉伸的聚丙烯(BOPP)制成的薄膜电容器具有高能量效率，但是，较低的介电常数使其储存电能密度相对较低，已经难以满足这些系统对高能量密度的需求。近年来，科学家通过改性极性聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物,将PVDF基聚合物的大幅能量密度大幅度提高，达到17 J/cm³。然而，在实际使用中不仅需要优越的电性能，还要具有优秀的温度稳定性。如在电动汽车领域，薄膜电容器的工作区域温度在70~90℃之间，这不仅要求电介质材料具有较高的介电常数、击穿电场强度和储能密度等，还要在使用温度下具有良好的温度稳定性。

图1 电容器的应用领域和本文中的ABS储能密度

  在本论文中，选取通用的工程塑料——聚（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）（ABS）聚合物作为研究对象，这是由于它具有这些优势：1），具有较高的玻璃化转变温度（大于120℃），有助于获得优异的高温性能；2）它的分子结构中拥有极性基团——氰基（来自丙烯腈），有助于获得较高的极化值，进而获得高能量密度；3）它的结构中的另一主要组成部分苯乙烯（PS）是一种高效率的线性基团。这些特征有助于该材料获得高温下，高能量密度和高效率的性能。

图2 ABS分子结构

  本文中通过流延法制备了聚ABS聚合物薄膜，通过热重分析（TGA）分析，ABS材料在300℃下可以稳定存在；在进一步热分析和温谱测试下，ABS的玻璃化转变温度高于120℃；此外，介电常数和损耗在120℃保持常数，说明该材料可以在120℃高温下作为储能电介质材料。通过P-E loop 和储能测试，在525 MV/m和室温下，获得可释放能量密度约为7.3 J/cm³。

图3 室温下，BOPP，PS和ABS储能密度与效率

  特别重要的是，在温度从室温~120℃测试中，ABS薄膜在可释放密度和效率方面保持良好的稳定性。在120℃的温度测试下，ABS薄膜获得了可释放能量密度高达6.7 J/cm³和效率达到75％。

图 4变温中，BOPP，PS和ABS储能密度与效率，以及在120℃下ABS的储能特性和P-E loop

  众所周知，电子元件的小型轻量化是非常重要的，特别是在宇航和电动汽车等领域，单位质量下，能量密度越高，越有助于减轻其负载重量，进而提高设备的性能。值得注意的是，在单位质量下，ABS材料的可释放能量密度约为6.3 J/g，明显高于其他已报到高温储能电介质。此外，出色的热稳定性和循环可靠性，在10⁵个循环下，可释放能量密度和效率在室温和90℃高温下保持不变，证明ABS聚合物在高温下高功率储能电容器方面具有广阔的应用前景。这项工作为聚合物薄膜电容器的高温储能提供了新的思路和材料。

图 5室温和90℃下，ABS储能密度与效率的循环特性

  该研究工作受浙江省科技厅的重点研发计划项目、澳大利亚伍伦贡大学澳大利亚先进材料研究院和广东迈特斐薄膜科技有限公司的支持。

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta03540h/unauth#!divAbstract