储能电容器作为高效储能设备，具有使用寿命长、充电时间短和功率密度大等优点，被广泛应用于先进电子系统中。混动汽车逆变器电容工作温度一般为140-150 ℃，而飞机电子系统的电容更是高达200 ℃。双轴拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）是目前主流的商用聚合物电介质，但其最高工作温度只有105 ℃左右，无法满足高温环境下的需求。因此研发具有高能量密度和耐温性的聚合物电介质具有重要的应用价值。

      基于上述背景，中山大学化学学院陈旭东教授团队使用了一种新型的吡啶-铜络合二胺单体，通过将其与PMDA，ODA缩聚及酰亚胺化，成功合成了一种新型的聚酰亚胺-金属络合复合材料POP-Cu（如图1）。区别于主链型配位，POP-Cu采用侧链型配位策略，即络合区域位于柔性侧链上，避免了偶极在电场下运动时主链的制约与束缚，抑制材料介电损耗的大幅度上升。

图1 样品的制备方法及其光学图片。

      与POPI（结构为PMDA-ODA）相比，在1 kHz下，POP-Cu的介电常数由3.25（POPI）提升至5.58，同时其介电损耗维持在较低水平，仅为0.0066（如图2a, 2b）。同时，POP-Cu具有高交流及直流击穿强度，分别为321.3 MV·m^-1和436.2 MV·m^-1（如图2c, 2d）。在常温下，POP-Cu的储能密度由POPI的0.74 J·cm^-3提高至5.42 J·cm^-3，为POPI的七倍（如图3a, 3b）。进一步地，探究POP-Cu在高温环境下的介电常数、储能密度和充放电效率，验证其在高温下的介电稳定性。结果表明，POP-Cu在高温环境下的储能密度仅有小幅度损失，150 ℃下POP-Cu的能量密度仅从室温时的4.59 J·cm^-3降至4.37 J·cm^-3。值得注意的是，POP-Cu在150 ℃的储能密度与室温下的储能密度之比超过90%，仅仅出现小于10%的损耗（如图3c, 3d）。

图2 (a, b) 三种样品的介电常数与介电损耗；(c, d) 三种样品的直流与交流击穿强度。

图3 (a, b) 25 ℃下三种样品的电滞回线，充放电能量密度与充放电效率；(c, d) 25 ℃与150 ℃三种样品的电滞回线对比图，与不同电场强度下其充放电能量密度对比图。

      随后，通过测试POP-Cu不同温度下的介电常数与介电损耗（如图4a, 4b），探究材料的介电弛豫特性。通过阿伦尼乌斯方程，确定了POP-Cu的松弛活化能为0.474 eV。对比于其他采取主链型配位策略的材料，POP-Cu展现出了相对较低的弛豫活化能，表明其内部的偶极极化更容易适应外电场方向的改变，从而获得更大的自由度，以此赋予材料优异且稳定的介电性能（如图5）。通过侧链型配位策略，在添加较少量金属离子的情况下，能够显著提升材料的介电常数，并极大地保持材料较低的介电损耗和较高的击穿强度，在减少了材料制备成本的同时提高了材料的综合性能。该项研究提出了一种新型分子设计策略——侧链型配位策略，为制备高性能耐热聚合物基电介质提供了全新的思路和方法。

图4 (a, b)-150 ℃至200 ℃下POP-Cu的介电常数与介电损耗。

图5 主链配位策略和侧链配位策略对材料介电性能影响的机理示意图。

       该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。周柏洋硕士研究生是该论文的第一作者，中山大学陈旭东教授、广东工业大学马泽通副教授和钟世龙博士后为通讯作者。

原文信息：

Side-Chain-Type Polyimide-Cu Complexes with Suppressed Activation Energy of Relaxation for Advanced High-Temperature Capacitor

Zhou, B. Y.; Ma, Z. T.; Zhong, S. L.; Huang, Z. J.; Guo, Q.; Feng, D. C.; Yuan, Z. K.; Lu, S. L.; Yang, Y. Z.; Wang, C.; Yu, D. S.; Chen, X. D.

Chinese J. Polym. Sci. 

DOI: 10.1007/s10118-024-3131-7