超高压输电、电磁能装备、新能源汽车等领域的快速发展对必备的储能元器件金属化薄膜电容器提出了更高电场强度、更大储能密度和更长使用寿命的新需求。现有以双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜为介质的薄膜电容器虽然具有击穿强度高、介电损耗小、容易加工薄膜和卷绕成元器件等优点，但是其低介电常数导致的储能密度不足无法满足装备对储能单元的小型化及轻量化需求。现有其他电介质材料在加工成大面积薄膜以及后续的电容器元件制作时，往往会遇到介电损耗过大、难以通过拉伸或者流延制备出几个微米厚的薄膜、自愈性能不理想、薄膜与金属电极的附着力差等难以逾越的问题。如何解耦综合性能与加工工艺的矛盾是获得优异电介质材料的关键因素。
针对这一问题，西安交通大学化学学院张志成教授团队设计了一种在聚丙烯（PP）上接枝含氟基团的甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA）的接枝聚合物材料PP-g-TFEMA，并将得到的公斤级样品熔融挤出流延制备了10 μm厚度薄膜。研究发现，含氟基团的效应能兼具极性和促进结晶特性以协同提升聚合物储能与加工性能，其中优化后的PP-g-TFEMA能在相当高的电场（800 MV/m）下工作，可释放能量密度高达为8.2 J/cm3，能量转换效率超过90%。TFEMA的引入还能够显著提高金属电极在薄膜表面的附着力、减小薄膜在击穿时形成的孔洞大小及电极损失面积，这些均对薄膜电容器的长期可靠性运行起到积极作用。
通过引入TFEMA增强极性和促进PP结晶特性，同时利用氟效应诱导结晶并提升结晶度，有效解决了结晶型聚合物的综合性能与加工工艺之间的矛盾。适量TFEMA的引入促进PP链段在更高的温度下形成晶核和快速结晶，有利于更多具有更小尺寸的α-晶粒在聚合物薄膜中形成，从而显著提升了薄膜的结晶度。均匀分布的较小晶粒和结晶度的提高可形成更有序的分子链段排列，这有助于减少偶极转向过程中的摩擦和损耗，而优异的结晶度所带来的缺陷减少可归因于抑制了无定形区域的极化弛豫和漏电传导所造成的介电损耗。一方面，TFEMA的引入对PP结晶性能的促进作用，还有助于抑制漏导引起损耗，并提高由于热和机械失稳导致击穿的电场强度；另一方面，在小尺寸晶粒之间形成的更多的微界面结构也对高电场下注入电荷的迁移产生抑制作用。值得注意的是，TFEMA的引入还能够显著提高金属电极在薄膜表面的附着力、减小薄膜在击穿时形成的孔洞大小及电极损失面积，这些均对薄膜电容器的长期可靠性运行起到积极作用。该策略通过氟效应来协调结晶型聚合物的综合性能与加工工艺之间的矛盾，有效保持聚丙烯薄膜优异的成型加工特性和长寿命优势，明显优于之前报道的所有聚丙烯薄膜。本工作为具有高储能密度、长使用寿命的PP基薄膜电容器的批量化制备开辟了新的实践道路。
上述研究成果近期以《通过含氟基团聚丙烯薄膜中的α晶相调控实现电介质电容器中高放电效率下的高储能密度》（Ultra-High Energy Density Achieved at High Efficiency in Dielectric Capacitors by Regulatingα-phase Crystallization in Polypropylene Films with Fluorinated Groups）为题发表在国际材料领域权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，西安交通大学化学学院为第一通讯单位。该论文第一作者为西安交通大学博士研究生李文轩，张志成教授和龚红红副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金等相关项目的资助，论文中的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。
论文链接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410959
张志成教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang
审核人：张彦峰
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