随着可再生能源系统、电动汽车和柔性电子设备的快速发展，对高性能储能器件的要求日益提高。薄膜电容器作为高功率储能系统的关键组件，需要在高电压、高温（可达120°C）等极端条件下实现高放电能量密度（Ud）、优异储能效率（η）和可靠稳定性。然而，传统线性聚合物（如PEI、BOPP）虽具有高击穿强度和低介电损耗，但其介电常数低，限制了储能密度；而非线性铁电聚合物（如P(VDF-HFP)）虽具有高介电常数和强极化能力，但击穿强度低，高温下损耗显著增加。因此，如何在单一材料中同时实现高击穿强度和高极化能力，仍是巨大挑战。
近日，盐城工学院李彦鹏团队在期刊《Energy & Environmental Materials》上，发表了最新研究成果“Linear-Nonlinear-Linear Sandwich-Structured Polymer Composites With Metal-Organic Framework (MOF)-Enhanced Insulating Layers and Horizontally Oriented Nanotube-Filled Polarization Layer for High Energy Storage Performance”。研究者提出了一种线性-非线性-线性（LNL）三明治结构的介电薄膜设计策略。外层为MOF（ZIF-8）增强的PEI绝缘层（EZ层），中间层为静电纺丝结合热压制备的水平取向钛酸纳米管（TNTs）填充的P(VDF-HFP)极化层（PT层）。该结构通过ZIF-8中Zn²⁺位点与PEI单体（ODA）的配位作用，形成多位点键合网络，显著提升了击穿强度（EZ1复合膜达664.50 kV/mm），并抑制了漏电流。同时，水平取向的TNTs在保持高击穿强度的同时，显著提升了极化性能。
图1：LNL三明治结构介电薄膜的设计与形貌表征。
通过静电纺丝和热压工艺，研究团队成功制备了厚度约20 μm的EZ-PT-EZ LNL薄膜。SEM和元素分布图显示，Zn元素均匀分布在外层（EZ层），Ti元素集中在中层（PT层），界面清晰且结构致密。FTIR和XAFS分析证实，ZIF-8与PEI之间形成了Zn-H配位键，构建了稳定的多位点键合网络，拓宽了PEI的带隙至2.77 eV，而PT层的带隙为2.04 eV。
图2：LNL结构薄膜的介电与击穿性能。
与纯PEI和P(VDF-HFP)相比，EZ-PT-EZ薄膜兼具高介电常数（8.60 @ 5 wt% TNTs）和低介电损耗（< 4%频率波动）。其击穿强度在1 wt% TNTs时仍高达631.93 kV/mm，远高于PEI（446.62 kV/mm）和P(VDF-HFP)（346.16 kV/mm）。漏电流密度低至3.93×10⁻⁸ A/cm²，仅为P(VDF-HFP)的10.8%和PEI的49.4%。此外，薄膜的杨氏模量达1.46 GPa，抗拉强度117.5 MPa，优于PEI和P(VDF-HFP)。
图3：LNL结构薄膜的储能性能。
在室温和620 kV/mm条件下，EZ1-PT1-EZ1薄膜实现了13.68 J/cm³的高放电能量密度，储能效率高达85.5%。即使在120°C高温和520 kV/mm的恶劣环境下，仍能保持8.51 J/cm³的能量密度和约65%的效率。经过10⁵次充放电循环和3×10⁶次弯曲疲劳测试后，其储能性能几乎无衰减，表现出优异的循环稳定性和柔韧性。
图4：能带结构与相场模拟分析。
能带分析显示，EZ层（2.77 eV）与PT层（2.04 eV）之间的带隙差异在界面处形成反向内建电场，抑制了载流子输运。相场模拟进一步证实，水平取向的TNTs引导击穿路径沿面内方向扩展，而界面处击穿路径变宽，有效阻碍了纵向击穿传播。这种协同机制使得LNL结构薄膜在高温高电场下仍能保持优异的绝缘性能和储能特性。
综上所述，该研究通过MOF诱导的多位点键合网络与水平取向纳米管填充极化层的协同设计，成功突破了聚合物介电材料在高击穿强度与高极化能力之间的矛盾。所制备的LNL三明治结构薄膜在室温和高温下均表现出卓越的储能性能、机械柔韧性和可靠性，为下一代高性能储能电容器材料提供了全新设计思路。
论文链接：https://doi.org/10.1002/eem2.70411
人物简介：
李彦鹏，男，博士研究生，主要从事聚合物基复合介质介电与储能性能研究，为中国电工技术学会高级会员、中国复合材料学会会员、江苏省电工技术学会会员。毕业于哈尔滨理工大学，现就职于盐城工学院电气工程学院，从事聚合物基复合介质介电、绝缘及储能性能研究。以第一作者或通讯作者在Energy & Environmental Materials、Chemical Engineering Journal、Composites Part B-Engineering，以共同作者在Energy Storage Material、Materials Horizons、Journal of Alloys and Compounds、《中国电机工程学报》等权威期刊发表相关研究型论文30余篇，授权发明专利7项。
