通过优化纳米氧化铝/聚酰亚胺的界面，提高了复合电介质的高温储能性能

《Journal of Energy Storage》：Improved high-temperature energy storage performance of composite dielectrics via optimizing the interface of nano-alumina/polyimide

聚合物基电容器在高温下因介电损耗增加和绝缘性能恶化导致储能性能下降，本研究通过分子工程构建无机-有机共价交联体系，利用氨基修饰的Al?O?纳米棒与聚酰亚胺（PI）基质共价键结合，形成深能级电荷陷阱和微观势垒，协同抑制电荷迁移与传导损耗。1.5 wt% Al?O?-NH?/PI复合材料在150°C时实现4.74 J/cm3的能量密度（纯PI为1.56 J/cm3）和92%的效率，为高温储能电容器开发提供新策略。

　　
该研究聚焦于聚合物基电容器的高温性能优化难题，提出了一种基于无机-有机共价交联网络的新型分子工程策略。研究团队通过表面氨基化处理Al?O?纳米棒，将其与聚酰亚胺（PI）基体通过共价键形成三维互穿网络结构，有效解决了传统聚合物电容器在高温下能量密度衰减和热失控的核心问题。

在材料体系构建方面，研究采用硅烷偶联剂（APTMS）对Al?O?纳米棒进行表面功能化处理，这一创新性预处理步骤使无机纳米材料与有机聚合物基体之间形成化学键合界面。当纳米棒引入PI基体后，通过聚合反应中的缩合反应，氨基与PI前驱体中的酰氯基团发生交联反应，构建起无机-有机协同作用体系。这种化学键合不仅增强了界面结合强度，更形成了深能级电荷捕获位点，对 injected电荷和热激发载流子产生双重调控作用。

电荷传输机制研究揭示了该体系的多重抑制效应：首先，纳米棒表面形成的氨基网络与PI链段形成化学交联，显著提升材料刚性，降低链段运动幅度。其次，交联网络产生的非均匀电子云分布形成深能级陷阱，对载流子产生空间电荷屏蔽效应。第三，Al?O?纳米棒的引入改变了电场分布，将传统球状填料无法实现的应力传导路径重构为裂纹桥接机制，有效抑制局部电场畸变。这种三维网络结构在150°C高温下仍能保持4.74 J/cm3的能量密度，较传统PI提升204%，同时保持92%的高效充放电循环。

研究还特别揭示了功能化纳米材料的界面调控机制。通过对比传统Al?O?填料，氨基化处理使纳米棒表面能级发生显著偏移，与PI主链的π-π共轭体系形成能带错配，在界面处形成天然电荷陷阱。这种设计突破了无机-有机界面相容性难题，使材料在高温下仍能维持均匀的电场分布。实验数据显示，复合材料的介电损耗角正切值在150°C时较纯PI降低约60%，这得益于交联网络对载流子迁移路径的物理阻断和化学捕获双重作用。

该策略的创新性体现在三个层面：首先，开发出无机-有机化学键合的新范式，解决了传统复合材料的界面脱粘问题；其次，构建了"机械刚性+电荷陷阱"的协同效应，通过分子设计实现热稳定性和电性能的同步提升；最后，提出的纳米结构调控方法为其他聚合物基复合材料的高温应用提供了可复制的技术路径。研究团队通过TEM图像证实，Al?O?-NH?纳米棒在PI基体中呈现定向排列特征，这种有序分布进一步优化了应力传递路径，使得材料在承受150°C高温和高压电场时仍能保持结构稳定性。

在工程应用方面，该研究突破了传统高温聚合物电容器的性能极限。实验表明，当填充浓度为1.5 wt%时，材料在150°C下不仅实现能量密度的倍增，还表现出优异的热稳定性和循环寿命。这种性能提升源于交联网络的多重协同作用：化学键合增强界面结合力，机械交联提升材料刚性，电荷陷阱有效抑制载流子迁移。这种综合优化机制为开发新型耐高温储能器件奠定了理论基础。

该成果在基础研究层面揭示了聚合物基复合材料的多尺度调控规律，提出了"界面化学键合-三维网络构建-电荷动态捕获"三位一体的设计理念。在产业化应用方面，为航空航天、新能源电力系统等高温工作环境提供了新型储能解决方案。研究团队通过建立材料结构-性能调控的定量关系模型，为后续工程化开发提供了明确的技术路线。这种从分子设计到宏观性能优化的完整技术链条，标志着聚合物基储能材料研究进入精准调控的新阶段。