近日，南方科技大学材料科学与工程系汪宏教授团队在高温介电储能材料方面取得研究进展，相关成果以“Enabling superior high-temperature capacitive performance in polymer dielectrics by multifunctional alternating nanolaminate coating”为题，发表于国际期刊Energy&Environmental Science。

随着可再生能源、新能源汽车与航空航天等领域的飞速发展，对能在高温（如150°C以上）、高电场下稳定运行的高性能储能元件的需求日益迫切。然而，在高温、高电场作用下，电极/介质界面处的电荷注入会引发显著的电导损耗，导致储能效率和循环寿命急剧衰减。当前，通过在聚合物两侧引入无机阻挡层是抑制电荷注入的主流策略，但传统无机材料面临的根本性矛盾在于，其“宽禁带”（阻挡电荷注入）与“高介电常数”（均匀电场）的关键属性均难以在同一材料中实现协同优化。即使是综合性能较优的氧化铝，其电荷阻挡能力也已接近该材料体系的理论极限。

针对这一瓶颈，研究团队提出了一种突破性的解决方案：摒弃单纯依赖超宽带隙材料的传统思路，转而将禁带相对较窄但介电常数更高的3nm超薄氧化锆纳米层，作为功能夹层嵌入氧化铝层内部。研究人员利用原子层沉积技术，在聚合物薄膜双面制备出总厚度仅约36nm的氧化铝/氧化锆交替纳米叠层。基于这一独创的界面结构，经涂覆的聚碳酸酯薄膜在150°C高温下实现了8.50J cm-3的放电能量密度，同时充放电效率高达96.4%，其综合性能显著优于任何单涂层体系，创造了聚合物基电介质的新纪录。此外，该界面工程设计还将薄膜在高温下的充放电循环寿命提升了近两个数量级。

图1.氧化铝/氧化锆交替纳米叠层的设计原理与结构表征

截面开尔文探针力显微镜、普克尔斯效应成像、能带分析与相场模拟结果表明，在“嵌入式”纳米叠层工程设计中，外层的氧化铝（约10nm）凭借其宽带隙，构筑了抑制电荷注入的高能势垒；内嵌的氧化锆层（约3nm）则利用其较高的介电常数，在横向再分布电场、缓解局部集中的同时，引入了深能级电荷束缚中心以捕获载流子。

图2.氧化铝/氧化锆交替纳米叠层的能带结构、断面KPFM、普克尔斯效应成像以及电导特性

图3.薄膜高温击穿场强与相场模拟

在材料制备方面，界面纳米工程策略在多种聚合物基底（如聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯和聚芴酯）上均可实现显著且稳定的性能提升。所制备的涂层薄膜在获得卓越电学性能的同时，保持了优异的机械柔韧性，显示出与规模化卷对卷制造工艺的良好兼容潜力，兼具广泛的普适性与产业化应用潜力。

图4.薄膜高温储能性能、充放电循环寿命、机械稳定性和普适性验证

本研究提出的界面纳米工程策略，为开发适用于下一代电动汽车电驱系统、可再生能源逆变器及先进航空电力系统的耐高温、高能量密度、高稳定性的薄膜电容器，提供了清晰可行、极具潜力的材料创新路径。

南方科技大学与香港科技大学联合培养博士生刘禹岐为论文第一作者，南方科技大学材料科学与工程系研究助理教授董久锋和科研助理刘凯鑫为共同第一作者。汪宏、董久锋及香港科技大学王建农教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究获得了国家自然科学基金及香港特别行政区研究资助局等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D6EE00769D

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

编辑：任奕霏