賓州州立大學的研究人員開發出了一種新型高溫聚合物電容器，能夠儲存的能量是傳統設計的四倍，並可在高達 482 華氏度的溫度下運作。這一進展有望改善電動車、數據中心、航空航天系統及其他高熱環境中的電力系統，目前的電容器在這些環境中很快會失效。聚合物電容器主要是為快速能量釋放而設計，而非長期儲存。與電池不同，電容器能快速充放電，並穩定電壓，支持電力電子設備，提供突發的電力，如相機閃光燈或醫療除顫器。
然而，大多數商業聚合物電容器在超過 212 華氏度的環境中會開始降解，這限制了它們在惡劣環境中的使用。賓州州立大學的團隊通過將兩種商業可用的高溫塑料結合成聚合物合金，解決了這一弱點，該合金能自組裝成穩定的納米結構。這種材料的介電常數達到 13.5，遠高於每個組成部分的 4 以下。更重要的是，該材料在負 148 華氏度到 482 華氏度的範圍內保持這一性能。
此材料使得設備能在相同的面積內儲存四倍的能量，或者在不損失性能的情況下縮小至當前尺寸的四分之一。這種折衷對於緊湊電子設備、電動驅動系統及下一代電網系統至關重要。
在高熱環境中，電容器的性能進步對電動車、數據中心及太空探索等全系統的發展至關重要，賓州州立大學電機工程系的博士後研究員李莉表示。傳統的聚合物電容器需要保持冷卻才能運作。我們的方法解決了這一問題，同時實現了四倍的功率，或者在四倍小的設備中保持相同的功率。
大多數聚合物電容器在高溫下失效的原因在於其長分子鏈達到玻璃轉變點，變得脆弱。在高溫下，電荷洩漏增加，導致性能下降。研究人員通過精確混合 PEI 和 PBPDA 這兩種耐熱聚合物來解決這一問題。這兩種材料並不是完全混合，而是保持部分不相容，形成納米級的三維界面。
研究小組的共同第一作者阮春表示，可以通過混合不同的比例來觀察性能變化，這與金屬合金的工作原理非常相似。通過正確控制不相容性，我們終於得到了 — 根據我們的知識 — 具有這些高度期望特性的第一種聚合物合金。
微觀成像和計算建模顯示，自組裝的界面充當阻止可移動電荷洩漏的屏障。這使得材料能夠實現高能量密度和高溫耐受性，這在歷史上一直難以在單一介電聚合物中獲得。阮春表示，通常情況下，無法在一種介電聚合物中同時擁有高能量密度和高溫耐受性 — 我們通過混合兩種商業可用的高溫聚合物實現了這一點。
研究人員強調，這兩種材料廉價且已經廣泛可用。製造這些薄膜需要簡單的加工路徑，這可能有助於擴大生產規模。該團隊已經申請了專利，並正致力於商業化這項技術。相關研究成果已於 2 月 18 日發表在《自然》期刊上。
