面向高温电容储能的交联聚合物电介质协同分子工程研究

本研究针对聚合物电介质在高温下导电损耗与极化不足的瓶颈问题，通过模块化分子工程策略同步优化分子极性、拓扑交联和自由体积。研究人员设计含苯并环丁烯(BCB)和磺酸甲基(─SO2CH3)的降冰片烯单体，经开环复分解聚合(ROMP)构建交联网络，获得宽光学带隙(Eg>3.7 eV)、高玻璃化转变温度(Tg>350 °C)和低损耗因子(Df≈0.0006)的聚合物。最优样品P50-B250在150°C实现8.00 J cm−3放电能量密度(效率≥90%)，全交联P0-B300在250°C仍保持4.65 J cm−3，分子模拟揭示交联使自由体积增加40%并抑制电荷转移复合物形成，为极端条件储能材料设计提供新范式。

通过协同分子工程策略，研究人员成功设计了兼具热稳定性和优异电容性能的脂肪族环状聚合物电介质。该研究创新性地将可热交联的苯并环丁烯(BCB)和磺酸甲基(─SO₂CH₃)基团引入降冰片烯单体，采用开环复分解聚合(ROMP)技术构建了具有解耦非共轭主链与极性基团的交联网络。所得聚合物展现出宽光学带隙(E_g > 3.7 eV)、高玻璃化转变温度(T_g > 350 °C)和极低损耗因子(D_f ≈ 0.0006)等优异特性。优化后的P50-B250样品在150°C高温下实现了8.00 J cm⁻³的卓越放电能量密度(U_d)，能量效率保持在90%以上；而完全交联的P0-B300更在200°C和250°C极端条件下分别保持7.34 J cm⁻³和4.65 J cm⁻³的能量密度，性能显著超越传统电介质材料。分子动力学(MD)模拟揭示交联结构使自由体积分数增加约40%，有效抑制了链间电荷转移复合物(CTCs)的形成。密度泛函理论(DFT)计算进一步证实磺酰基增强的极化效应与交联拓扑协同作用限制了电荷迁移。这项研究通过结构模块化与拓扑控制的深度融合，为极端条件下新一代储能器件的聚合物电介质设计建立了普适性框架。