介电高分子是电绝缘、功率型电能存储等关键核心技术领域不可或缺的基础材料。随着电气设备和电子器件功率持续增长，以及应用场景不断拓展，介电高分子材料正面临着更为严苛的高温、高电场运行工况要求。尽管使用宽能带隙、高耐热介电高分子能够提升温度性能，但当温度上升至200°C以上并同时施加强电场时，这类材料的电阻率和介电储能性能均大幅下降。基于现有介电高分子中电荷传导理论和抑制方法无法突破材料耐温性与绝缘性能之间的矛盾。

  近日，清华大学李琦课题组揭示了在极端高温、高电场下介电高分子中的电荷传导机制主要为声子辅助的链间电荷隧穿，并通过分子拓扑结构设计开发了一系列在250°C下具有优异介电绝缘特性的介电高分子材料。相关工作以“Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage”为题发表于《自然·材料》（Nature Materials）。清华大学博士后王瑞为论文第一作者，博士生朱雨杰为该论文的共同第一作者，李琦副教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

  课题组通过对多种耐热介电高分子材料进行荧光发射光谱研究发现，当升温至200°C以上温度区间时，分子链内电荷传导变化不大，但分子链间电荷传导显著增加，并且电荷转移机制是以隧穿为主导，而不是典型的能带传输。由此，课题组提出在此条件下介电高分子中的电荷传导机制主要为声子辅助的链间电荷隧穿。在无序、本征低电导体系中，声子对载流子的作用不再是阻碍传输，而是增强电导（electron-phonon coupling），声子辅助电荷转移不受能带隙宽度影响，并强烈依赖于温度相关的分子链局部振动。这一物理机制在此前的耐高温介电高分子研究中被忽略，这也解释了此前开发的高耐热、宽能带隙介电高分子在极端工况下不具有高绝缘性的根本原因。

图1. 电荷转移机制以及化学拓扑结构设计

图2. 分子链振动的分子动力学计算以及荧光光谱测试

图3. 电荷转移行为和电荷传导机制

图4. 冠醚分子结构的筛选以及高温电容性能

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02130-z