電介質電容器由於其超高的功率密度（104~108W kg-1），是醫療除顫器、工業雷射器、電磁炮高能武器系統等脈衝功率應用的關鍵部件，尤其是隨著新能源的發展，在光伏/風力發電機並網、新能源電動汽車等領域展現了廣闊的應用前景。其中，成本低、易加工、耐高電壓的聚合物薄膜是現時廣泛應用的電容器電介質資料。然而，由於聚合物薄膜熱穩定性差，難以直接在高溫高電場下工作。囙此，工業界通過引入冷卻系統，降低電容器工作環境溫度。以混合動力汽車換能器中的電容器為例，為使現時商用的雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜資料正常工作，需要冷卻系統將工作環境溫度從150°C降至80°C以下，這不可避免地新增了動力系統的質量和體積，降低能源使用效率。針對這一難題，需要實現在高溫實際工作環境下具有高儲能密度和效率（超越BOPP在室溫下的效能），並且可以長期穩定工作的電介質資料。
中國科學技術大學物理學院李曉光、殷月偉團隊在高溫儲能電介質電容器領域取得重要進展。研究者通過控制熱化學反應動力學獲得聚醯亞胺（PI）-聚醯胺酸（PAA）共聚物，並設計添加極少量氮化硼納米片（BNNS），得到了具有優异高溫儲能效能的複合材料0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS。在混合電動汽車中電容器的實際工作條件下（150°C，200 MV m-1），其儲能密度達到~1.38 J cm-3，效率高於96%，且在經歷20000次迴圈充放電測試以及35天耐受性測試後儲能效能依然穩定。該儲能密度是BOPP薄膜電容器室溫環境、相同場強下儲能密度的3.5倍。此外，PI-PAA是生產PI過程中的中間產物，可輕易通過調整已大規模商用的PI薄膜的生產線得到，具有良好的可擴展性。由於PI-PAA製備溫度低於PI，甚至有可能進一步降低生產成本。該介電儲能資料具備在電動汽車、功率電力電子等系統高溫環境中應用的潜力。
圖1.在150°C，200 MV m-1下0.87PI-0.13PAA+0.1 vol% BNNS複合材料的（a）20000次充放電迴圈測試，（b）35天高溫耐受性測試和（c）高溫電介質儲能性能比較。
相關成果以“Scalable polyimide-poly（amic acid）copolymer based nanocomposites for high-temperature capacitive energy storage”為題線上發表在《先進材料》（Adv. Mater.）雜誌上。中國科學技術大學物理學院和合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生戴智展、包志偉和丁崧為論文共同第一作者，李曉光教授和殷月偉教授為論文通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計畫、中國科學技術大學“雙一流”人才團隊平臺項目的資助。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202101976