聚合物电介质电容器由于其成本低、柔韧好、安全性高以及超高的功率密度等优点，从而在无源电容元件，逆电器，脉冲功率电源技术等领域存在广泛的应用。但聚合物电介质电容器具有低储能密度和低工作温度的缺点，限制了电子元件的小型化和集成化。目前，大多数解决的方法是制备聚合物基无机纳米复合介电材料。然而，高含量的填料在聚合物基体中容易聚集，导致复合材料会以牺牲聚合物的击穿强度和柔性为代价来获取高介电常数。此外，大部分电介质材料的能量密度及效率在高温下将急剧下降。因此，现阶段对于如何同时获得具有高介电常数、高击穿场强、高效率和耐高温的介电材料是一个巨大挑战。

  近年来，三明治结构薄膜在提高介电聚合物的储能性能上提供了一条极具潜力的途径。湘潭大学陈盛课题组采用简单经济的溶液浇铸法成功地制备了一种由耐高温的线性电介质和铁电聚合物组成的全有机三明治结构介电聚合物薄膜，以“Enhanced performance of all-organic sandwich structured dielectrics with linear dielectric and ferroelectric polymer”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

图1.正向三层结构、反向三层结构及共混薄膜的制备

  该团队通过使用高介电常数的铁电聚合物P(VDF-TrFE-CTFE)和高击穿强度和高效率的耐高温的线性电介质PEI，制备了一系列正向三明治结构薄膜、反向三明治结构薄膜和单层共混薄膜（图1），深入研究了线性/铁电聚合物体积比和聚合物薄膜结构对储能性能的影响。实验结果表明，优化线性/铁电聚合物体积比后的全有机正向三明治结构薄膜能承受最高击穿场强为530 kV/mm，最大放电能量密度为8.0 J/cm³，是纯PEI膜的两倍以上，且效率可达81%（图2）。

图2.(a)所有正向三明治结构的薄膜,(b)所有反向三明治结构的薄膜在不同电场下以及(c)所有三明治结构的薄膜在最高电场下的放电能量密度和效率

  文中还从结晶度、晶型、电导率、漏电流、介电常数理论计算值与实验值、电场分布理论计算值与有限元模拟等多方面来解释和论证三明治结构薄膜的击穿强度和储能密度及效率的变化规律。同时，高温测试结果表明正向三明治结构薄膜在25℃到100℃之间具有优异的介电及储能温度稳定性（图3）。该研究为制备具有高储能和耐高温的全有机三明治结构薄膜提供了理论分析和实验指导，促进了柔性聚合物高温介质电容器的发展和应用。

图3.(a)正向三明治结构薄膜P-15-P，反向三明治结构薄膜7.5-P-7.5和3 vol％ PVTC/PEI共混薄膜在不同频率下的介电常数的温度依赖性；(b)在最高电场下P-15-P和7.5-P-7.5的放电能量密度和效率与温度的关系

  论文的第一作者为湘潭大学化学学院研究生王超。通讯作者为陈盛副教授，共同通讯作者为中南大学罗行副教授。

  论文链接：https://doi.org/10.1039/D1TA00974E