薄膜电容器因其超高充放电速率、成本低以及质量轻等优势，成为现代电力电子设备中关键的储能元件。随着新能源汽车、航空航天等新兴领域的发展，对极端高温工况下电容器运行稳定性提出了更严苛的要求。传统耐高温聚合物基体如聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）等在分子链中含有大量刚性芳香环：一方面赋予了聚合物材料优异的热稳定性，但另一方面其链内共轭结构也为高能电子提供了跳跃传导通道，导致高温电导损耗严峻。因此，协同提升电介质的热稳定性、高温绝缘性以及高温电容性能成为该领域面临的重大技术挑战。

  针对上述问题，近日，华南理工大学王瑞/谢从珍团队联合清华大学李琦、重庆交通大学付靖报道了一种面向高温储能的电介质聚合物“拼图式”的侧基定制组装策略，该工作通过定制取代基类型与组装位点：有效优化了聚合物的堆积形态与分子链局部的电荷分布和空间构象，在实现材料高热稳定性的同时，有效地抑制了高温漏电流密度，显著提升了击穿强度与储能密度。对应的侧基定制材料实现了优秀的高温电容性能：在150 ℃和200 ℃下分别实现了6.33 J cm^-3和5.42 J cm^-3的放电能量密度，且充放电效率保持在90%以上。此外，材料在200 ℃和400 MV m^-1条件下，经历了10⁵次充放电循环后仍保持性能的稳定性，体现其出色的应用潜力。

  2026年2月2日，相关研究成果以”Polymer dielectrics with customized substituent for high temperature capacitive energy storage”为题发表在国际学术期刊《Energy Storage Materials》上。华南理工大学王瑞副教授、谢从珍教授，清华大学李琦教授以及重庆交通大学付靖为论文的通讯作者，华南理工大学博士研究生毕春晖为论文第一作者。感谢国家自然科学基金（No. 52307025，52207163）等项目对本文的资助。

图1（A）mPDA分子单元组装策略的设计原理；（B）拼图式分子侧基组装策略的示意图；（C）拼接式分子组装设计过程。

  受拼图游戏启发，研究团队将分子链的结构设计视为一个“拼装”过程，碎片的选择主要考量两个因素：取代基本征特性及其在骨架上的组装位点。

  取代基本征特性确定（图2）：首先，将具有不同空间构型和电子亲和力的侧基（线形、平面型和四面体型）组装至间苯二胺（mPDA）单元的固定位点。实验结果与理论计算表明：侧基的引入使得聚合物分子链堆积更加紧密，从而提高材料的玻璃化转变温度。然而，与空间位阻相比，侧基的电子亲和力在改善材料的高温绝缘中发挥更为关键的作用。其中，强电子亲和力氰基（-CN）的引入，在分子链间构筑电子局域化位点，阻碍高能电子沿链间进行转移，有效改善材料的高温传导损耗。同时极性侧基的引入增强了分子链的极化程度、提高材料的介电常数，从而改善材料的高温电容密度。

图2.（A）具有不同空间位阻和最低未占据分子轨道（LUMO）能级的 mPDA 组装侧基的设计原理。（B）PEI-X(c) 聚合物在 200°C 时的漏电流密度与电场的关系曲线，-X 分别为 -CH₃、-Cl、-NO₂、-CF₃ 和-CN。（C）PEI-X(c) 中相邻共轭平面之间的二面角。（D）mPDA(X)-BPADA 的电子局域函数等值线分布。（E）常规 PEI 和 PEI-CN(c) 的热激励去极化电流。

  组装位点优化（图3）：研究团队随后将不同空间位阻侧基组装至mPDA单元的不同取代位点，并对聚合物模型基于分子动力学计算发现：在特定位点引入取代基能最大程度地扭曲分子链的局部构象，有效破坏电子沿骨架传输的路径，而这种分子局部构象的空间扭转效果主要由取代位点本身调控。结合材料的高温漏电流、击穿以及热激励去极化电流（TSDC）等测试，进一步验证了最佳取代位点的合理性。

图3.（A）寻找最佳取代位点的流程图。（B）苯环的旋转能垒随旋转角度的变化曲线。（C）在 200°C 时，PEI-CH₃（a、b、c）的电流密度随电场的变化曲线。（D）PEI-X（a、b、c）（其中 -X 分别代表 -CH₃、-Cl、-NO₂、-CF₃ 和-CN）相邻共轭平面之间的二面角。（E）在 200°C 时，PEI-CN（a、b、c）_{15% M} 聚合物的电流密度随电场的变化曲线。（F）在 200°C 时，PEI-CN（α）的电流密度随电场的变化情况。（G）常规PEI和PEI-CN（α）的TSDC测试结果。

  最终，在不改变PEI主链结构的前提下，基于取代基本征特性与组装位点协同优化的侧基定制组装策略，高效地改变分子链的堆积形态、局部电荷分布以及空间构象，实现了材料的热稳定性和高温绝缘的协同提升，解耦了两者之间的固有矛盾。其中定制材料在150°C和200°C下的击穿强度分别提高至659 MV m^-1和606 MV m^-1，对应储能密度获得显著提升且展现出具有长期循环工作的稳定性（图4）。该侧基定制组装策略为发展下一代高温聚合物电介质提供高效且普适的设计思路。

图4. PEI-X复合材料的高温电容性能。

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104945